Technische Innovation

Leitfähigkeit mal eine Million: Durchbruch in organischer Elektronik

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Ein neuer Dotierstoff, der die Leitfähigkeit organischer Halbleiter enorm erhöht, bringt flexible Elektronik der Realität ein großes Stück näher.

Halbleiter sind die Grundlage moderner Elektronik. Typischerweise bestehen sie aus Silizium und Ingenieure nutzen ihre einzigartigen Eigenschaften unter anderem, um elektronische Ströme zu steuern, Daten zu verarbeiten oder Signale zu verstärken. Nun haben Forscher einen neuen Ansatz gefunden, um die Leitfähigkeit in organischen Halbleitern stark zu erhöhen.

Diese bestehen aus kohlenstoffbasierten Molekülen anstatt Siliziumatomen und finden bereits heute in Smartphone-Displays Verwendung. In Zukunft könnten sie darüber hinaus beispielsweise in flexibler Elektronik oder zur Umwandlung von Solarenergie in Strom eingesetzt werden. „Organische Halbleiter sind ideale Materialien für die Herstellung mechanisch flexibler Bauelemente mit energiesparenden Niedertemperaturprozessen”, erklärt Xin Lin, Mitglied des für die Entdeckung verantwortlichen Forschungsteams aus Princeton.

Dotierung steigert Leitfähigkeit

Ein großer Nachteil, so der Doktorand im Gebiet der Elektrotechnik, sei bislang allerdings ihre relativ schlechte Leitfähigkeit gewesen. Diese führe zu Schwierigkeiten und ineffizienten Geräten. Um organische Halbleiter für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, arbeite er daran, ihre elektrischen Eigenschaften zu verbessern.

Die Leitfähigkeit der organischen Halbleiter wird durch den Prozess der Dotierung erhöht.   Bild: Wikipedia – Temp5psu(Montage)

Wesentlich für die Steigerung der Leitfähigkeit ist ein Prozess, der als Dotierung (englisch: „Doping“) bezeichnet wird. Hierbei wird die chemische Zusammensetzung des Halbleiters durch Zugabe einer geringen Menge an Chemikalien modifiziert. Durch die sorgfältige Auswahl der Art und Menge des Dotierstoffs können Forscher die elektronische Struktur und das elektrische Verhalten der Halbleiter auf verschiedene Weise verändern.

Neues Reduktionsmittel sorgt für Durchbruch

Um die Leitfähigkeit der kohlenstoffbasierten Halbleiter zu erhöhen, verwendeten die Forscher als Dotiermittel eine Ruthenium enthaltende Verbindung. Diese ist ein neu entwickeltes Reduktionsmittel, das dem organischen Halbleiter als Teil des Dotierungsprozesses Elektronen hinzufügt und so seine Leitfähigkeit erhöht. Im Gegensatz zu vielen anderen leistungsfähigen Reduktionsmitteln bleibt dieser dimere metallorganische Dotierstoff stabil, auch wenn er mit Luft in Berührung kommt.

Das Ruthenium enthaltende Reduktionsmittel gehört zu einer neu eingeführten Klasse von „dimeren metallorganischen Dotierstoffen”. Bild: Wikipedia – Periodictableru – (CC BY 3.0) – (Montage)

Die zwei Forscher, die für die Entwicklung der Rutheniumverbindung zuständig waren, bezeichnen sie als „hyper-reduzierenden Dotanden“. Besonders ungewöhnlich sei bei diesem nicht nur die Kombination aus seiner beindruckenden Elektronenabgabe und Luftstabilität. Hinzu käme auch noch seine herausragende Fähigkeit mit organischen Halbleitern zu arbeiten, die bisher nur schwer zu dotieren waren. In Studien fanden die Wissenschaftler heraus, dass der neue Dotierstoff deren Leitfähigkeit etwa eine Millionen Mal erhöhte.

Cover-Foto: Princeton University – Jing Wang & Xin Lin

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