18.10.2018

Auf Wiedersehen, Silizium?

Neues metall-organisches Material für die Opto­elektronik.

Wissenschaftler des MPI für Polymerforschung in Mainz haben zusammen mit Kollegen aus Dresden, Leipzig, Sofia und Madrid ein neues, metall-orga­nisches Material ent­wickelt, das ähn­liche Eigen­schaften wie kristal­lines Silizium aufweist. Das mit ein­fachen Mitteln bei Raum­tempe­ratur her­stell­bare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konven­tio­nelle nicht-orga­nische Materi­alien dienen, die in der Opto­elek­tronik genutzt werden.

Abb.: Ein metall-organisches Netzwerk könnte in Zukunft als Ersatz für das Halb­leiter­material Silizium dienen. (Bild: MPI-P)

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computer­chips wird heut­zu­tage vor­rangig Silizium ein­ge­setzt. Für diese Anwen­dungen wird hoch­reines Silizium benötigt, das in der Her­stel­lung sehr teuer ist. Das ist darauf zurück­zu­führen, dass Defekte in einem Material dessen elek­trischen Eigen­schaften stark beein­flussen. Die Forscher um Enrique Cánovas haben jetzt ein „metall-orga­nisches Netz­werk“ – engl. metal-organic frame­work, kurz MOF – ent­wickelt, das ähn­liche elek­trische Eigen­schaften wie Silizium auf­weist. Das MOF ist ein hoch­kristal­liner Fest­körper, der aus Eisen­ionen auf­ge­baut ist, die über orga­nische Mole­küle mit­ein­ander ver­bunden sind. Im Gegen­satz zu Silizium kann das Material bei Raum­tempe­ratur her­ge­stellt werden. Die Zusammen­setzung, Beschaffen­heit und elek­tro­nischen Eigen­schaften können hierbei während des Herstel­lungs­prozesses ein­fach ange­passt werden.

In der Vergangenheit hergestellte Netzwerke zeigten keine oder eine nur sehr geringe elek­trische Leit­fähig­keit. Das ver­hinderte deren Ein­satz in opto­elek­tro­nischen Kompo­nenten, wo eine aus­reichende Beweg­lich­keit der Elek­tronen in dem Material bei Anlegen eines elek­trischen Feldes benötigt wird. Mit dem neu her­ge­stellten MOF haben die Forscher gezeigt, dass sich die Elek­tronen in dem orga­nisch-basierten Material ähn­lich wie in Silizium ver­halten. Dieses „Drude-Ver­halten“ bedeutet, dass sich die Material-Elek­tronen bei Anlegen eines externen elek­trischen Feldes fast frei bewegen können. Ein solches Ver­halten, meist beob­acht­bar in anorga­nischen, hoch­geord­neten Kristallen wie Silizium, wurde bisher kaum in orga­nisch basierten Materi­alien beob­achtet, da diese normaler­weise eine unge­ord­nete Struktur besitzen.

Zur Charakterisierung der einzigartigen Eigenschaften des her­ge­stellten Netz­werks haben die Wissen­schaftler die ultra­schnelle Tera­hertz-Spektro­skopie ver­wendet. Diese Techno­logie erlaubt eine Messung der Leit­fähig­keit ohne physi­ka­lischen und damit störenden Kontakt zum Material. Hierbei wird über einen Laser­puls, der im sicht­baren Spektral­bereich liegt, zunächst Energie an die Elek­tronen des Materials trans­feriert. Mit einem Tera­hertz-Puls kann dann die Leit­fähig­keit dieser ange­regten Elek­tronen abge­fragt werden. Das resul­tiert in einem frequenz­ab­hängigen Leit­fähig­keits-Signal, durch welches die Wissen­schaftler das Drude-Verhalten veri­fi­zieren konnten. „Durch diese Messungen konnten wir Rekord-Mobi­li­täten der Elek­tronen in diesem Material messen, welche die Mobi­li­täten von iso­lie­renden MOFs um einen Faktor 10000 über­steigen“, sagt Canovas. Das bedeutet, dass sich Elek­tronen ein­fach über lange Strecken bei Anlegen eines elek­trischen Feldes in dem MOF bewegen können, ein Effekt welcher in tausend Mikro­meter langen Proben gemessen werden konnte. Daher ebnet das neue Material den Weg für die Nutzung metall-orga­nischer Netz­werke in der Opto­elek­tronik. In Zukunft wollen die Forscher daran arbeiten, die elek­tro­nischen Eigen­schaften des Materials direkt bei der Her­stel­lung über die Zusammen­setzung des MOFs modi­fi­zieren und vor­her­sagen zu können.

MPI-P / RK

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