Dehnbare Transistoren für die elektronische Haut

Flexible elektronische Implantate oder dehnbare Displays könnten bald aus flexiblen Transistor­struk­turen aufge­baut werden. Diese Zukunft im Blick ent­wickelte eine inter­nationale Forscher­gruppe ein Transistor­areal aus orga­nischen Halb­leitern, das sich wieder­holt auf die doppelte Länge dehnen ließ. Die elektro­nischen Eigen­schaften litten unter dieser Belastung nicht. Doch für Anwendungen in flexiblen Sensoren oder gar für eine multi­funktio­nale elektro­nische Haut müssten die derzeit noch relativ hohen Schalt­spannungen mit einem elegan­teren Aufbau ver­ringert werden.

„Unser neues molekulares Design ermöglicht organische Halb­leiter, die sowohl einen guten Ladungs­transport als auch eine hohe mecha­nische Stabilität zeigen“, sagt Zhenan Bao von der Stan­ford Univer­sity. Zusammen mit ihren Kollegen verknüpfte sie zwei verschiedene orga­nische Halb­leiter. DPP, eine spezielle Poly­thiophen-Verbindung, zeichnete sich durch einen streng geordneten Aufbau der Polymerketten aus. Ungeordnet, aber dafür flexibler, waren Polymerketten aus PDCA, Pyridindicarboxamid, die die DPP-Areale mitein­ander ver­knüpften. Über ein Spin-Coating-Verfahren auf einer dehn­baren Unter­lage aus dem Silikon­kunst­stoff PDMS depo­niert, entstand eine etwa 35 Nano­meter dünne, flexible Halb­leiter­schicht mit guten elektro­nischen Eigen­schaften.

Aus diesem Material fertigten die Forscher einzelne Feld­effekt­transis­toren mit hauch­dünnen Elek­troden aus Gold und weiteren Schichten aus einem Kom­po­sit­­material aus Kohlen­stoff­nano­röhrchen und einem Poly­styrol-Elastomer. Bei relativ hohen Schalt­spannungen von bis zu sechzig Volt zeigten die Transis­toren eine hohe Mobi­lität der Ladungs­träger von bis zu 1,3 cm²/Vs. Das Verhäl­tnis zwischen den beiden Schalt­zu­ständen erreichte gute Werte von über einer Million. Diese Eigen­schaften blieben auch nach meh­re­ren Hundert Dehnungs­vor­gängen bis auf die doppelte Länge erhalten.

Bei Überdehnungen litt jedoch die organische Polymer­struktur und einzelne Brüche traten auf, bevorzugt an den unge­ord­neten über Wasser­stoff­brücken verbun­denen Polymer­ketten. Diese Schäden ließen sich jedoch nach einer zehn­minütigen Behand­lung des Materials in Chloro­form-Dampf und einem dreißig­minütigem Auf­heizen auf bis zu 150 Grad Celsius wieder besei­tigen, da sich dabei die unge­ord­neten Polymer­ketten wieder ver­knüpften.

Die Eignung dieser Transistoren für eine dehnbare, elektro­nische Haut demon­strierten Bao und Kollegen, indem sie ihre Proto­typen eng um eine Hand oder den Unter­arm einer Test­person spannten. Bei normalen Körper­bewe­gungen nahmen die Transistor­areale keinen Schaden. Doch bevor aus diesen flexiblen orga­nischen Transistoren Sensoren oder gar Displays ent­wickelt werden können, müssten die allzu hohen Schalt­spannungen noch weiter redu­ziert werden. Nur dann könnte der Strom­bedarf so weit gesenkt werden, um die Module einige Zeit mit kleinen Akkus betreiben zu können.

Jan Oliver Löfken

RK