Die Ausrichtung zählt

Die Ausrichtung zählt

Die Ausrichtung der Kristallachsen spielt bei der Leistungsfähigkeit organischer Transistoren eine wichtige Rolle.

Urbana-Champaign (USA) – Hoch sind die Erwartungen an flexible Displays mit organischen Leuchtdioden oder elektronischem Papier. Erste Produkte von Firmen wie E-Ink oder Gyricon kommen dieses Jahr auf den Markt. So kontrastreich und sparsam sie im Stromverbrauch sind, so sind sie bisher noch starr wie ein LCD-Bildschirm. Für die Massenproduktion geeignete, biegsame Transistorflächen zur Ansteuerung der einzelnen Bildpunkte fehlen trotz vieler Forschungsbemühungen noch. Erste Prototypen flexibler Displays (z. B. von Philips) weisen noch Streifen und Bildfehler auf bei noch mäßiger Auflösung.

Amerikanische Wissenschaftler gingen nun dem Verhalten der Schalter aus organischen Halbleiter-Kristallen auf den Grund und berichten darüber in der Fachzeitschrift „Science“. In ihren Versuchen konnten sie nicht nur die Mobilität der Ladungen deutlich erhöhen, sondern erkannten auch, dass die Ausrichtung der Kristallachsen eine wesentliche Rolle für die Leistungsfähigkeit spielt.

„Unsere Methode trennt die Kristallsynthese von der Herstellung anderer Elemente des Transistors“, sagt John A. Rogers von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Dadurch wurden die empfindlichen, organischen Moleküle vor Schädigungen bei der Photolithografie der Schaltstrukturen geschützt. Zusammen mit Kollegen von den Bell Laboratories und der Rutgers University „stempelten“ sie quasi die elektrischen Schaltkreise eines Feld-Effekt-Transistors (FET) auf eine elastische Silikon-Kunststofffläche. Auf diese filigranen Kontaktpunkte aus Gold und geeigneten Dielektrika setzten sie einen organischen Einkristall aus Tetraphenylnapthacen (engl.: rubrene); eine Substanz, die häufig für organische Transistoren genutzt wird.

Flexible Hochleistungs-Feld-Effekt-Transistoren lassen sich herstellen, indem man einen einkristallinen organischen Halbleiter auf eine elastische Oberfläche aufbringt, auf die zuvor ein Transistorschaltkreis gestempelt wurde. Quelle: John A. Rogers)

Obwohl diese aufwändige Herstellungsweise nicht unbedingt für eine industrielle Fertigung von flexiblen Transistorflächen geeignet ist, offenbart diese Methode das Verhalten der Ladungen in diesem FET. So erkannten Rogers und sein Team, dass die Ladungen, die durch diesen Einkristall fließen, eine überraschend hohe Mobilität aufwiesen (15 cm ²/V s) im Vergleich zu bisher genutzten polykristallinen Strukturen mit vielen Grenzflächen. „Dieses Ergebnis legt nahe, dass Streuungen an den Kristallgrenzflächen signifikant die Leistungsfähigkeit eines normalen Transistors reduzieren“, so Rogers. Zudem setzten sie den organischen Einkristall nach verschiedenen Richtungen orientiert auf die Transistorkontakte. Dadurch kamen sie einer großen Abhängigkeit der Ladungsmobilität von der Orientierung der Kristallachse auf den Grund. „Diese Anisotropie haben wir nicht erwartet.”

Für die weitere Entwicklung von Transistoren aus organischen Halbleitern könnten diese Ergebnisse von großer Bedeutung sein: Zum einen sollten die Kristallelemente aus möglichst wenigen Untereinheiten bestehen, um den Mobilitätsverlust der Ladungen an den Grenzflächen zu minimieren. Zum anderen sollte der Halbleiterkristall nicht beliebig, sondern entsprechend der besten Anordnung der Kontakte relativ zur Kristallachse in den Schaltkreis positioniert werden.

Hersteller wie Philips rechnen noch mit etwa fünf Jahren Entwicklungszeit bis flexible Transistorflächen für Display-Anwendungen serienreif werden. Bis dahin muss sich das starre elektronische Papier, für das der niederländische Elektronikkonzern heute schon eine komplette Fertigungslinie im japanischen Kobe betreibt, erst auf dem asiatischen und dann auf dem europäischen Markt behaupten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Vikram C. Sundar et al., Elastomeric Transistor Stamps: Reversible Probing of Charge Transport in Organic Crystals, Science 303, 1644 (2004).  
• Homepage J. A. Rogers:
  http://www.scs.uiuc.edu/chem/rogers_j.htm  
• University of Illinois, Urbana-Champaign: 
  http://www.uiuc.edu  
• Bell Laboratories: 
  http://www.bell-labs.com/  
• Rutgers, The State University of New Jersey:
  http://www.rutgers.edu/  
• Rubrene für Feld-Effekt-Transistoren: 
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0210555  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema organische Transistoren finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Festkörperphysik.  
• Artikel über die Philips Prototypen auf pro-physik.de (frei für Abonnenten):
  Aufrollbare Displays

Weitere Literatur:

• H. E. Katz, A. Dodabalapur, Z. Bao, Oligo- and Polythiophene-Based Field-Effect Transistors (Wiley- WCH, Weinheim, 1998).  
• M. Pope, C. Swenberg, Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers (Oxford Univ. Press, Oxford, 1999).  
• H. Sirringhaus et al., Science 290, 2123