Kunststoff-Transistoren, die nicht brechen

Transistoren aus organischen Polymer-Materialien sollen künftig zur Herstellung flexibler Bildschirme und anderer Elektronika genutzt werden – erstellt mit Hilfe kostengünstiger Druckverfahren. Problematisch war bislang allerdings, dass sich einer der dazu am besten geeigneten leitenden Kunststoffe eher schwer verarbeiten ließ: Das Material brach zu leicht.

Forscher an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh konnten nun zeigen, dass sich dieses Polymer mit einem anderen häufig verwendeten Kunststoff kombinieren lässt, das normalerweise zur Herstellung von Plexiglas und Sonnenbrillen verwendet wird. Dadurch ergibt sich ein haltbareres Endprodukt, das sich wesentlich besser für die Produktion eignet, ohne dass die gewünschten elektronischen Eigenschaften verloren gingen. Bisherige Materialkombinationen dieser Art reduzierten die Leitfähigkeit, weil es zu einer Verwässerung kam. Für die Mixtur der Carnegie Mellon-Forscher soll das nun aber nicht mehr gelten.

Um ihr Ziel zu erreichen, wählten die Wissenschaftler um den Chemieprofessor Richard McCullough und seine Postdoc-Kollegin Genevieve Sauve bestimmte Polymer-Untergruppen aus, deren chemische und physikalische Eigenschaften sicherstellten, dass sie sich auf eine ganz bestimmte Art kombinierten. Außerdem wurde die Oberfläche, auf die die Kunststoffe aufgebracht werden, vorher speziell behandelt. Im Endergebnis bilden die Materialien so eine geordnete Struktur, die im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen eine bessere Verbindung zum Substrat herstellt.

Tim Swager, Chemieprofessor am MIT, sieht in der experimentellen Polymer-Kombination bereits ein Material mit rekordverdächtigen Eigenschaft – obwohl es bislang an der Luft und nicht im eigentlich sinnvolleren Reinraum entsteht. Diese Unempfindlichkeit könnte die Herstellung vereinfachen und die Nutzung in neuen Produkten beschleunigen, meint der Forscher. Der MIT-Experte Swager arbeitet deshalb als wissenschaftlicher Berater des Spezialherstellers Plextronics, der die Technologie kommerzialisieren soll und McCullough als wissenschaftlichen Leiter beschäftigt.

Das neue Material ist außerdem belastbar. Wenn es gebogen oder anderweitig unter Druck gesetzt wird, die enthaltenen Polymere also durcheinander geraten, kehrt das Kombi-Polymer später wieder in seine Ausgangsposition zurück. Auch das hilft bei der Herstellung und macht es für diverse Anwendungen mit hohen Ansprüchen interessant – vom aufrollbaren Bildschirm bis zur wetterfesten Solarzelle.

Im Experiment gaben die Carnegie-Mellon-Wissenschaflter das weitgehend erforschte, elektrisch leitende Polythiophen zusammen mit dem Industriepolymer Polymethylacrylat in eine Lösung, die dann auf Transistor-Elektroden und Kontrollgatter aufgebracht wurde. (In Zukunft sollen die Polymere in Mustern mittels Tintenstrahltechnik oder ähnlichen Ansätzen "ausgedruckt" werden.) Nachdem das Lösemittel verflogen war, blieb eine dünne Polymerschicht übrig, die ein spezielles Muster aus sich abwechselnden Strängen aus flexiblem und kristallinem Polymer lieferte. Diese Schicht, auch Film genannt, ließ sich als Halbleitermaterial für den Kanal eines Transistors nutzen.

Polythiophene könnten auf diese Weise in Zukunft auch mit anderen Materialien kombiniert werden. Zwar hat das bisherige Material bereits Schaltzeiten, mit denen sich beispielsweise E-Books realisieren ließen. Doch für die Anzeige von Videos in neuartigen Displays reicht diese Geschwindigkeit noch nicht. Mit Hilfe neuer Kombinationsmaterialien könnte sich das bald ändern. (bsc)