|
|
Transistoren aus Kunststoff für flexible Elektronik
Archiv | 09.07.2011 | Druckbar, flexibel und preiswert – diese Eigenschaften versprechen Ingenieure sich von der organischen Elektronik. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung erforschen verschiedene Materialien, aus denen sich rollbare Bildschirme oder billige Chips für Massenprodukte herstellen lassen.
Vielleicht ist an Hagen Klauk ein Physiklehrer verloren gegangen. Auf
jeden Fall kann er so gut erklären wie einer. Bei ihm erscheint der
Elektronentransport durch Halbleiter plötzlich so klar und simpel wie
ein Stromkreis mit Batterie und Birnchen. Klauk steht in einem weißen
Overall mit Kapuze im staubfreien Reinraum. Die Lüftung surrt leise.
„Ist ja klar, wenn die Moleküle im Halbleiter zu groß oder verdrillt
sind, dann bleiben die Elektronen hängen und kommen kaum voran“, sagt er
und dreht und beugt und streckt seine Arme. Dann steht er stramm.
„Liegen die Moleküle aber fein säuberlich und eng nebeneinander, dann
können die Elektronen regelrecht durchs Material sausen.“
Die Frage, wie man Elektronen auf Trab bringt, beschäftigt ihn schon
seit mehr als zehn Jahren. Man könnte glauben, dass es Spannenderes
gibt. Klauk aber kommt in Fahrt, wenn er von der Vision des aufrollbaren
Flachbildschirms erzählt, der so dünn ist wie Overheadfolie und so bunt
wie das Display eines Smartphones. „So ein Bildschirm, der ganz aus
flexibler, dehnbarer Elektronik besteht, den man aufgerollt in die
Tasche stecken kann; dazu versuchen wir unseren Teil beizutragen.“
Herkömmliche Displays bestehen aus Glas, auf das hauchdünn ein
ungeordneter Film aus Silizium aufgedampft wird, der Elektronikwerkstoff
schlechthin. Solche Displays lassen sich freilich nicht knicken. Nicht
nur wegen des Glases. Auch das Silizium würde abplatzen und zerbröseln,
wenn man es rollte oder faltete. Hagen Klauk interessiert sich deshalb
für eine Materialklasse, die man erst seit Anfang der 1990er-Jahre so
richtig ernst nimmt – Kunststoffe mit elektrischen Eigenschaften. Diese
organische Elektronik besteht vor allem aus Kohlenstoff- und
Wasserstoffmolekülen, den wichtigsten Ingredienzien von Kunststoffen
eben. Noch aber kann es der biegsame und robuste Elektro-Kunststoff
nicht mit dem Hochleistungssilizium aufnehmen – unter anderem, weil die
Elektronen noch nicht schnell genug durch das Material flitzen.
Klauk und seine Kollegen haben sich auf Transistoren spezialisiert,
die Kernkomponente aller elektronischen Bauteile und auch von Displays
sind. Transistoren sind eine Art Stromventil. Sie regeln den Stromfluss
in Mikroprozessoren oder in den winzigen Leuchtdioden von
Flachbildschirmen. Klauk greift eine kleine Lupe vom Schreibtisch.
„Hier, schauen Sie sich damit mal die Pixel auf meinem Smartphone an.“
Tatsächlich, das was man sonst unscharf als kleine Pünktchen auf dem
Bildschirm erkennt, ist in der Vergrößerung ein perfekt geordnetes
Nebeneinader von roten, grünen und blauen Strichen – winzig klein, nur
Mikrometer groß. Jeder einzelne ist eine Leuchtdiode. Und jede
Leuchtdiode wird von einem eigenen winzigen Transistor gesteuert. Fließt
Strom, leuchtet die Diode, je nach Stromfluss heller oder dunkler. Ein
großer Bildschirm bringt es auf Millionen von Transistoren. Und die
bestehen bislang ausnahmslos aus aufgedampftem Silizium. Nicht so in Klauks Reinraumlabor am Max-Planck-Institut für
Festkörperforschung in Stuttgart. Bei ihm gibt es kein Silizium mehr,
sondern nur noch Transistoren aus Kunststoff, genauer aus kleinen,
länglichen Kohlenwasserstoff-Molekülen, die wegen der Verteilung ihrer
Elektronen zu den Aromaten zählen. Leuchtdioden aus
Kohlenwasserstoff-Molekülen, die „organischen Leuchtdioden“, kurz OLEDs,
werden bereits industriell hergestellt. Einige Elektronik-Konzerne
verbauen sie in ersten Displays für Smartphones oder Tablet-PCs. Ähnlich
leistungsfähige organische Transistoren aber gibt es noch nicht. Genau
die will Klauk entwickeln, denn für den Biege-Bildschirm der Zukunft
braucht man beides: flexible Leuchtdioden und flexible Transistoren.
Ganz gleich, ob ein Transistor aus Silizium oder Kohlenwasserstoffen
gefertigt wird, an seinem Aufbau ändert das zunächst einmal nichts. Da
wäre zunächst das Substrat, der Träger, auf dem die Schichten des
Transistors in einer Art Sandwich aufgebracht werden. Als Träger dient
gewöhnlich Glas. Klauk und seine Mitarbeiter nehmen hauchdünne Folie aus
dem Kunststoff PEN, Overheadfolie. Auf das Substrat dampft man eine
dünne Schicht Aluminium auf. Gate-Elektrode heißt dieser Metallklecks.
Über sie lässt sich das Stromventils regeln: sie steuert den
Elektronenfluss durch den Halbleiter.
Es folgt eine dünne Isolierschicht, das Dielektrikum. Das trennt die
Gate-Elektrode unten von dem Halbleitermaterial oben, welches
anschließend auf das Dielektrikum aufgetragen wird. Ein solcher
Halbleiter kann je nach Zustand Strom leiten oder wie ein Isolator
wirken. Gesteuert wird sein Verhalten über die elektrische Spannung an
der Gate-Elektrode. Natürlich fließt Strom nur dann durch den
Halbleiter, wenn das Material von zwei elektrischen Kontakten berührt
wird, zwischen denen die Elektronen wandern können. Source und Drain
nennt man diese Kontakte, die ganz oben auf dem Transistor sitzen.
Transistoren mit Siliziumherz sind etabliert und ausgereift. Bei den
organischen Transistoren, den organischen Feldeffekttransistoren, den
OFET, mussten Klauk und seine Kollegen aber gleich an mehreren Stellen
feilen. Entscheidend ist unter anderem die Wandergeschwindigkeit der
Elektronen, oder besser ihre Mobilität im Halbleitermaterial. Je
schneller sie reagieren, desto schneller kann man den Transistor
schalten. Licht an, Licht aus. Diode an, Diode aus. Das muss flott
gehen, damit das Bild auf dem Display später flimmerfrei leuchtet. Punkt
zwei ist die Betriebsspannung. Manche Transistoren brauchen eine
Spannung von 50 bis 100 Volt, damit sich das Stromventil überhaupt
öffnet. Für den aufrollbaren Bildschirm für unterwegs wäre das irrwitzig
viel. Er sollte mit höchstens drei Volt arbeiten – der Spannung einer
herkömmlichen kleinen Batterie.
|
|