04.11.2022

Neues Material für flexible Dioden

Alternative zur klassischen Dotierung basiert auf kleinen Temperaturänderungen.

Um eine Diode herzustellen, werden normalerweise zwei Halbleiter-Materialien mit unter­schiedlichen Eigenschaften zusammengebracht. Dabei handelt es sich üblicher­weise um modifiziertes Silizium, in das unter­schiedliche Elemente eingebracht werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Durch die Dotierung mit Phosphor, Arsen oder Antimon werden zusätzliche freie Elektronen in das Material eingebracht, es ist n-dotiert. Bor, Aluminium oder Gallium dagegen binden Elektronen aus dem Silizium, wodurch positive Ladungs­löcher entstehen. Werden die Materialien zusammen­gebracht, entsteht eine Diode, die den Strom nur in eine Richtung fließen lässt.

Abb.: Diese Kristalle in einer Silicaglas-Ampulle werden unter Vakuum aus den...
Abb.: Diese Kristalle in einer Silicaglas-Ampulle werden unter Vakuum aus den Silber, Kupfer, Tellur und Halogeniden hergestellt. (Bild: A. Heddergott, TUM)

„Wir haben nun ein Material gefunden, bei dem wir durch bloße Temperatur­änderung bestimmen können, ob es n-leitend oder p-leitend ist“, sagt Tom Nilges. Die Forschenden konnten zeigen, dass eine Temperatur­änderung von wenigen Grad ausreicht, um diesen Effekt zu erzielen – und dass sich mit einem Temperatur­gradienten im Material eine funk­tionierende Diode erzeugen lässt. „Wenn das Material bei Raumtemperatur vorliegt, haben wir einen ganz normalen p-Halbleiter, legen wir einen Temperatur­gradienten an, können wir in den erwärmten Bereichen gleichzeitig einen n-Halbleiter generieren“, erklärt Nilges. Wichtig für die Anwend­barkeit: Der Effekt funktioniert im Bereich der Raumtemperatur. „Um eine Diode zu erzeugen, genügt eine lokale Erhöhung der Temperatur um wenige Grad, in unserem Fall von 22 Grad Celsius auf 35 Grad Celsius.“

Den Vorteil des neuen Materials sieht Nilges nicht nur darin, dass keine Dotierung mehr nötig ist: „Jede Diode, die gebaut wird, ist immer vorhanden. Bei unserem Material ist es anders: Mit dem Temperatur­gradienten verschwindet auch die Diode. Wird die Diode wieder benötigt, reicht es, einen Temperatur­gradienten zu erzeugen. Bedenkt man die Anwendungs­breite von Dioden, zum Beispiel in Solarzellen oder jeder Art von elek­tronischen Bauteilen, wird das Potential dieser Erfindung deutlich.“

Zwölf Jahre Arbeit stecken in der Suche nach dem perfekten Material, das die Forschenden mit dem Münzmetall­chalkogenid­halogenid Ag18Cu3Te11Cl3 nun gefunden haben. Es besteht aus den Elementen Silber, Kupfer, Tellur und Chlor. Die Forschenden waren auf diese Verbindungs­klasse gestoßen, als sie sich mit thermo­elektrischen Materialien beschäftigten, die aus Wärme Strom generieren. Dabei zeigte ein Material den p-n Schalteffekt. Allerdings war dieser nur im Bereich von einhundert Grad Celsius zu beobachten, was für eine praktische Anwendung ungünstig ist.  

Nach vielen Analysen und Versuchen fanden die Forschenden in Ag18Cu3Te11Cl3 ein Material, das sowohl den gewünschten Effekt zeigt, als auch für Anwendungen im normalen Temperatur­bereich geeignet ist. „Andere Forschungs­gruppen haben diesen Schalteffekt bei verschiedenen Materialien auch entdeckt, aber bisher hat es niemand in eine konkrete Anwendung überführt“, erklärt Nilges. In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden auch zeigen, dass sie mit ihrem Material durch Temperatur­änderungen Transistoren erzeugen können.

TUM / JOL

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