Halbleiter: Organische Elektronik zum Dahinschmelzen

US-Forscher haben einen ungewöhnlichen, organischen Halbleiter entwickelt. Er hält extremen Temperaturen stand und macht neuartige Sensoren möglich.

Ein Bericht von Dirk Eidemüller veröffentlicht am 22. Januar 2019, 8:30 Uhr

Halbleiter aus organischem Material: Leichte Materialien sind wichtig für Luft- und Raumfahrt. (Bild: John Underwood/Purdue University)

Viele Computernutzer haben es schon einmal erlebt, dass plötzlich der Bildschirm schwarz wird und die Kiste einfach ausgeht. Meist ist dafür Überhitzung verantwortlich: Entweder der Lüfter ist defekt, die Wirkung der Kühlpaste hat nachgelassen oder man hat es mit dem Übertakten ein bisschen weit getrieben. Temperatursensoren im Computer sorgen für eine Notabschaltung, bevor die Hitze zu bleibenden Schäden an der Elektronik führt. Aber auch die Sensoren selbst sind elektronische Geräte, die bei Überhitzung oder Unterkühlung funktionsuntüchtig werden können. Ein Forscherteam um Jianguo Mei von der Purdue University hat nun im Fachblatt Science ein neuartiges organisches Material vorgestellt, das sehr viel temperaturbeständiger ist als vergleichbare Stoffe.

Dazu mussten die Forscher zwei unterschiedliche Materialien kombinieren, einerseits einen Hochleistungshalbleiter und andererseits mit Polyvinylcarbazol (PVK) einen thermoplastischen Isolator mit hoher Temperaturfestigkeit. Die Kunst bestand nun darin, diese unterschiedlichen Stoffe so miteinander zu verbinden, dass die wünschenswerten Eigenschaften beider Stoffe erhalten blieben. Nach einer Reihe von Tests stellte sich heraus, dass eine Mischung aus ungefähr gleichen Teilen beider Stoffe die besten Ergebnisse erzielte.

Dabei lieferte der Isolator eine temperaturbeständige Matrix, in die sich die Moleküle des Halbleiters einfügten. Dieses neue Material blieb in Dünnschicht-Transistoren nicht nur bis hin zu 220 Grad Celsius funktionstüchtig, sondern änderte auch seine elektronischen Eigenschaften kaum im Vergleich zum Betrieb bei Raumtemperatur. Üblicherweise sind halbleitende Polymere nur bis zu rund 150 Grad Celsius stabil und verlieren bei höheren Temperaturen einen Großteil ihrer Leistungsfähigkeit.

Hitzeresistente Sensoren für Autos und Flugzeuge

Von Interesse sind derartige Materialien nicht nur für die Automobilindustrie - etwa als Sensoren für den Motor oder die Abgasmessung -, sondern vor allem für die Luft- und Raumfahrtbranche. Denn hier treten einerseits an vielen Stellen extreme Temperaturen auf: an den Triebwerken oder auch bei den Außensensoren von Flugzeugen, die mit den tiefen Minusgraden in großer Höhe zu tun haben. Satelliten und Raumsonden haben mit besonders großen Temperaturwechseln zu tun, je nachdem, welche Seite sie der ungefilterten Sonnenstrahlung zeigen oder ob sie etwa im Erdschatten oder weit draußen im Sonnensystem auf tiefe Temperaturen abkühlen.

Dabei erwies es sich als besondere Herausforderung, die beiden Substanzen auf gewünschte Weise reagieren zu lassen. "Diese beiden Stoffklassen tendieren leider meist dazu, sich nicht miteinander zu vermischen", sagt Aristide Gumyusenge, Erstautor der Veröffentlichung. "Es war eine ziemliche Herausforderung, die passende nanostrukturelle Koexistenz der beiden Materialien zu erhalten, ohne die elektronischen Eigenschaften der Legierung zu opfern." Die Forscher konnten diese Hürden durch molekulares Design und ausgeklügelte chemische Verfahren überwinden. Dadurch konnte der Halbleiter innerhalb der Isolator-Matrix ein durchgehendes Netzwerk bilden, so dass die Leitfähigkeit erhalten blieb.