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Selbstgebaute organische Schaltkreise
Forscher haben einen einfachen Weg gefunden, elektronische Hochleistungsschaltungen aus organischen Halbleitern herzustellen. Der Vorschuss, berichtet in dieser Woche Natur , bringt uns der kostengünstigen, biegsamen Elektronik aus Kunststoff einen Schritt näher.
Selbstgebaute Schaltung: Diese Logikschaltung enthält mehr als 300 organische Transistoren, die mit einem neuen Selbstmontage-Trick hergestellt wurden. Die halbleitende Schicht in jedem Bauelement wird aus Molekülen gebildet, die sich auf der Schaltungsoberfläche anordnen.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dago der Löwe an den Philips Research Laboratories in Eindhoven, Niederlande, Halbleitermoleküle entwickelt, die sich automatisch in einer nur wenige Nanometer dicken Schicht auf einer Oberfläche anordnen. Diese selbstorganisierenden Moleküle könnten die Herstellung von organischen Transistoren, den wesentlichen Bausteinen der Kunststoffelektronik, erheblich erleichtern. In Experimenten nutzten die Forscher die Technik, um Hunderte von Transistoren herzustellen und sie zu komplexen Schaltungen zu arrangieren.
In der Vergangenheit haben andere ähnliche Selbstmontage-Tricks verwendet, um organische Transistoren herzustellen, aber das neue Verfahren ist viel einfacher. Darüber hinaus waren Forscher bisher nicht in der Lage, selbstgebaute Geräte genau und zuverlässig zu replizieren. Jeder Transistor muss funktionieren, damit die Schaltung funktioniert, sagt John Kymissis , Professor für Elektrotechnik an der Columbia University. Hier gibt es Hunderte von Transistoren, die alle funktionieren. Die Ausbeute ist bei komplizierten Schaltungen extrem gut.
Organische Halbleiter sind billiger und flexibler als Silizium. Heutige Flachbildschirme verwenden Transistoren aus starrem amorphem Silizium, um Pixel ein- und auszuschalten. Umgekehrt könnten Transistoren aus Kunststoff zu großen, billigen, biegsamen Displays und einer Reihe anderer kostengünstiger Geräte wie RFID-Tags führen. Die Kosten und die Praktikabilität der Herstellung organischer elektronischer Schaltungen sind jedoch eine Herausforderung.
Viele Forscher glauben, dass die Selbstorganisation – eine Technik, bei der sich Moleküle selbst zu komplexen Strukturen anordnen – der praktischste Weg sein könnte, um billige Kunststoffelektronik herzustellen. Die derzeit verwendeten Verfahren zur Herstellung organischer Schaltungen umfassen lithographisches Ätzen und Tintenstrahldrucken. Die Selbstmontage beseitigt die Notwendigkeit, die Halbleiterschicht fortschreitend zu strukturieren, und verschwendet den Halbleiter nicht durch Wegätzen.
Das ultimative Ziel für selbstorganisierte Schaltkreise ist es, Moleküle in ein Becherglas zu werfen und sie in gewünschte Strukturen ordnen zu lassen, sagt Edsger Smits, ein Forscher an den Philips Research Laboratories, der an der Arbeit beteiligt war. Das Herausziehen von Schaltkreisen aus einem Becherglas ist noch ein Stück weit entfernt, aber die vorliegende Arbeit ist ein Schritt in Richtung dieses Ziels. Die Forscher haben Gold-Source- und -Drain-Elektroden mit einem Siliziumdioxid-Isolator dazwischen abgeschieden, indem sie traditionelle Lithographie und Oberflächenätzung verwendeten. Dann tauchten sie diese Transistorschaltung in eine Lösung, die den organischen Halbleiter enthielt.
Auf dem Siliziumdioxid-Isolator zwischen Source und Drain ordnen sich die Halbleitermoleküle in einer dicht gepackten Einzelschicht von etwa drei Nanometern Dicke an. Die Moleküle heften sich so lange an, wie ein offener Raum vorhanden ist, also gibt es wirklich eine Monomolekülschicht, sagt Stephan Kirchmeyer, Co-Autor des Papers, Vizepräsident von H. C. Starck , dem Chemieunternehmen aus Leverkusen, das die Moleküle entwickelt und produziert hat.
In früheren Arbeiten anderer Gruppen wurden Schaltkreise zuerst in eine Ankerchemikalie getaucht und dann mit einer Halbleiterlösung beschichtet, wodurch sich der Halbleiter an die Ankermoleküle anlagerte. In den neuen Molekülen sind Anker und Halbleiter bereits aneinandergereiht. Dies wird zu einem einstufigen Herstellungsprozess, sagt Um Kontakt mit Yang aufzunehmen , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der University of California, Los Angeles. [Es ist] ein intelligenter Ansatz.
Die Herstellung einer wohlgeordneten Halbleiterschicht schafft ein Hochleistungsgerät. Es verbessert die Elektronenbeweglichkeit eines Transistors, was wiederum bestimmt, wie viel Strom er führen kann und wie schnell er ein- und ausschalten kann. Die Leistung der Bauelemente [sind] vergleichbar mit Bulk-Transistoren, die auf ähnlichen Materialien basieren, sagt Smits.
Schließlich haben die Forscher ihre Transistoren zu funktionierenden Schaltungen zusammengefügt. In ihrem Natur Papier, demonstrieren sie mehrere wichtige Logikkomponenten wie Inverter und Ringoszillatoren. Sie demonstrieren auch eine komplizierte Schaltung, die als Codegenerator bezeichnet wird und 300 Transistoren verwendet.
Kymissis gibt zu, dass früher schnellere und bessere Schaltungen durch Selbstmontage hergestellt wurden. Aber er sagt, dass die Einfachheit der einstufigen Montagemethode und die Fähigkeit dieser Transistoren, in solch komplexen Schaltungen zu funktionieren, ein großartiger Fortschritt sind.