Gestempelte Elektronik

Flexible Schaltungen dank kristalliner organischer Materialien

Von Rainer Scharf

Die Chips der Halbleiterelektronik bestehen normalerweise aus kristallinem Silizium. Durch die perfekte Anordnung der Atome in den Kristallen werden die Siliziumplättchen zwar äußerst leistungsfähig, aber auch spröde und starr. Für großflächige und biegsame elektronische Schaltungen moderner Bildschirme ist Silizium deshalb nicht geeignet. Hier setzt man bislang auf dünne ungeordnete Schichten aus organischen Halbleitermaterialien. Diese sind flexibel, allerdings längst nicht so leistungsfähig wie die Schaltungen aus einkristallinem Silizium. Zwei Forschergruppen haben nun unabhängig voneinander Wege gefunden, wie man die Vorteile von kristallinen Halbleitern mit denen von flexiblen Materialien verbinden kann. Während die Wissenschaftler von der Stanford University in Kalifornien eine Plastikfolie auf besondere Weise präparieren, damit darauf winzige organische Halbleiterkristalle wachsen können, drucken die Forscher von der University of Illinois in Urbana-Champaign kristallines Halbleitermaterial direkt auf einen flexiblen Kunststoff auf. In beiden Fällen spielen winzige Gummistempel eine wichtige Rolle.

Die kalifornischen Forscher um Frau Zhenan Bao benutzten für ihre Zwecke einen Stempel, dessen Unterseite aus einem Relief mikrometergroßer quadratischer Erhebungen bestand. Damit bedruckten sie eine Kunststoff-Folie mit einer dünnen Schicht einer Silanverbindung ("Nature", Bd. 444, S. 913). Durch das Relief waren auf der Unterlage quadratische Flächen entstanden, die entweder mit Silan bedeckt waren oder blank blieben. Die präparierte Folie wurde anschließend mit verschiedenen organischen Halbleitersubstanzen wie Pentacen oder Tetracen bedampft. Diese blieben bevorzugt an den beschichteten und rauhen Stellen haften, wo sie Kristallisationskeime bildeten, die schließlich zu mikrometergroßen perfekten Kristallen heranwuchsen. An den glatten nicht bedruckten Flächen trat hingegen kein Kristallwachstum ein.

Das Ziel der Forscher um Bao war es, aus den Kristallen kleine Feldeffekttransistoren - die elementaren Schaltelemente der Mikrochips - herzustellen. Als Unterlage verwendeten sie eine Kunststoff-Folie, auf die sie zuvor zahlreiche kurze Goldelektroden aufgebracht hatten. Je zwei Elektroden lagen dicht beieinander. Zunächst wurde der mit Silan beschichtete Stempel so auf die Folie gepreßt, daß immer zwei benachbarte Elektronen von einem quadratischen Silanfleck bedeckt waren. An diesen Stellen wuchsen später die Kristalle heran. Da diese das Silan beiseite schoben, bekamen die Kristalle guten Kontakt mit den Goldelektroden. Auf diese Weise konnten die Forscher eine große Zahl von Transistoren gleichzeitig herstellen, die parallel angeordnet waren.

Daß die auf diese Weise verschalteten Kristalle tatsächlich wie Feldeffekttransistoren arbeiteten, zeigte sich, als die Forscher eine elektrische Spannung an die beiden Elektroden legten. Der fließende Strom ließ sich durch eine Steuerspannung am Halbleiterkristall beeinflussen. Die Bauteile auf der Kunststoff-Folie waren äußerst flexibel. Selbst als die Forscher die Folie zu einem zwölf Millimeter dicken Röhrchen zusammenrollten, funktionierten die Schaltelemente noch einwandfrei.

Einen anderen und äußerst vielseitigen Weg zur Herstellung flexibler Halbleiterchips haben John Rogers und seine Mitarbeiter von der University of Illinois eingeschlagen. Sie stellten zunächst ein ganzes Arsenal von nanometergroßen Halbleiterstrukturen her, die sie auf unterschiedlichen Oberflächen wachsen ließen. Dazu gehörten Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, winzige Drähte und Bänder aus Galliumnitrid, Galliumarsenid oder Silizium. Mit einem besonders strukturierten elastischen Stempel wurden diese Halbleitermaterialien von ihrer Unterlage gelöst und auf eine flexible Polyimidfolie gedruckt. Diese war mit einer dünnen, flüssigen Polymerschicht bedeckt, an der die nanometergroßen Gebilde haftenblieben. Als man die schon bedruckte Oberfläche abermals mit einer Polymerschicht bedeckte, konnte sie ein weiteres Mal bedruckt werden.

Auf diese Weise stellten die Forscher Schritt für Schritt mehrlagige Halbleiterstrukturen her, die sie untereinander mit Goldelektroden verbanden ("Science", Bd. 314, S. 1754). Das Ergebnis waren verschiedene Arten von Transistoren. Die Flexibilität der Bauteile kann mit derjenigen der bedruckten Folien von Bao und ihren Kollegen durchaus konkurrieren. Die Transistoren behielten ihre Eigenschaften auch dann noch, als die Wissenschaftler um Rogers ihre Polyimidschicht zweitausendmal hintereinander zu einer bleistiftdicken Röhre zusammenrollten. Für ihre "gestempelten" Schaltungen auf flexibler Unterlage sehen die beiden Forschergruppen bereits zahlreiche Anwendungen zum Beispiel in Detektoren und Sensoren, in denen herkömmliche Halbleitermaterialien mit neuen und ungewöhnlichen Substanzen kombiniert werden können.
 

Text: F.A.Z., 27.12.2006, Nr. 300 / Seite N2