Gedruckte Transistoren aus Nanokristallen

Über Druckverfahren könnten elektronische Schalt­kreise in Zukunft deut­lich günstiger gefertigt werden als mit den heute etab­lierten litho­graphischen Ver­fahren. Einen viel ver­sprechenden Ansatz dafür präsen­tierten nun Wissen­schaftler der Uni­versity of Penn­sylvania in Phila­delphia. Mit in Flüssig­keiten ver­teilten Nano­kristallen konnten sie leitende, iso­lierende und auch halb­leitende Schichten zu funk­tio­nierenden Feld­effekt­transis­toren anordnen. Diese Nano­kristall-Transis­toren könnten in Zukunft günstig ge­fertigt und für Sensoren und elek­tronische Kompo­nenten in Kleidung – wearables oder smart clothes genannt – genutzt werden.

„Erstmals konnten wir zeigen, dass sich alle Kompo­nenten eines Tran­sistor aus Nano­kristallen her­stellen lassen“, sagt Cherie Kagan. Mit ihren Kollegen mischte Kagan winzige Nano­kristalle aus Silber, Aluminium­oxid und Cadmium­selenid in geeignete Lösungs­mittel. Diese Flüssig­keiten tropften die Forscher nach­ein­ander auf eine flexible Kunst­stoff­folie aus Kapton. In schnelle Drehung versetzt blieben nach kurzer Zeit nur hauch­dünne Schichten von bis zu hundert Nano­metern Dicke zurück, die bei 250 Grad Celsius getrocknet wurden.

Mit diesem einfachen und potenziell günstigen Ver­fahren konnten leit­fähige (Silber), iso­lierende (Aluminium­oxid) und halb­leitende (Cadmium­selenid) Schichten über­ein­ander ge­lagert werden. Diese Schichten ließen sich jeweils durch exakt zuge­schnittene Masken so struk­turieren, dass nach dem wieder­holten Be­schichten und Trocknen ein Areal mit funktions­fähigen Feld­effekt­transistoren entstand.

Im Unterschied zu früheren Ansätzen für Nano­kristall-Tran­sistoren gelang es Kagans Team, die Halb­leiter­schicht aus Cadmium­selenid auch zu dotieren. Dazu benetzten sie die CdSe-Schicht mit einer Flüssig­keit, in der Nano­kristalle aus Indium und Silber verteilt waren. Während der Trockung wanderten Indium­atome in die CdSe-Schicht und lieferten so eine n-Dotierung.

Nach der einfachen Produktion überprüften die Forscher die elek­tronischen Eigen­schaften der Nano­kristall-Tran­sistoren. Mit Spannungen von bis zu zwei Volt konnten sie zu­ver­lässig ge­schaltet werden. Die Silber­schicht zeigte eine hohe Leit­fähig­keit von 23.800 Siemens pro Zenti­meter. Dank der hohen dielek­trischen Konstante der iso­lierenden Aluminium­oxid­schicht waren die Leck­ströme der Tran­sistoren aus­ge­sprochen gering.

Rechenoperationen führten die Forscher mit ihrem Proto­typ aber noch nicht durch. Auch werden solche aus der flüssigen Phase ge­fertigten Schalt­kreise mit Nano­kristallen nie die Tran­sistor­dichte und enorme Rechen­leistung von Silizium­chips er­reichen können. Doch für simplere An­wendungen wie Sensoren oder Funk­chips wären die auf flexiblen Folien ange­ordneten und billigen Tran­sistoren durch­aus geeignet.

Jan Oliver Löfken

RK