Artikel in Kategorie: Material

Unser Leben wird mehr und mehr durch die Elektronik bestimmt: Elektronische Bauelemente dienen uns zum Kommunizieren, zum Ordnen von Informationen, sie erzeugen Licht und Strom und erfüllen noch viele weitere Funktionen. Diese Elektronik ist weitgehend auf kristallinen Halbleitern aufgebaut und meistens wird Silizium verwendet. Kristallin bedeutet, dass das Silizium als Kristall mit ideal angeordneten Atomen realisiert wird. Dadurch hat es hervorragende Eigenschaften, ist aber gleichzeitig spröde und stellt hohe Anforderungen an die Reinheit. Viele neue Anwendungen brauchen jedoch Materialien, die leicht in dünnen Schichten auf verschiedenen Oberflächen wie Folien, Metallen oder Stoff abgeschieden werden können. Solche Anwendungen sind mit den klassischen Halbleitern wie Silizium nicht möglich, da die Abscheidung auf solchen Substraten auf großen Flächen zu teuer ist.

Organische Halbleiter dagegen können diese neuartige Elektronik ermöglichen: Organisch steht für Kohlenwasserstoffverbindungen, also Verbindungen aus Elementen, die in der Natur quasi unerschöpflich vorkommen. Ein entscheidender Vorteil von Halbleitern ist, dass die elektrischen Eigenschaften – im Gegensatz zu Metallen – gesteuert werden können. Dadurch sind Bauelemente wie Transistoren überhaupt erst möglich. Zum anderen sind halbleitende Substanzen auch Basis von Dioden-Bauelementen, wie z.B. Leuchtdioden oder Solarzellen.

Die organischen Halbleiter haben in den letzten Jahren einen großen Aufschwung erlebt, weil es endlich gelang, effiziente Bauelemente aus dünnen Schichten zu realisieren. Auf ein transparentes Substrat wird eine transparente Elektrode aufgebracht, also ein Material, das Strom leitet und gleichzeitig transparent ist. Solche Materialien kommen z. B. in Wärmeschutzscheiben zur Anwendung. Darauf wird dann eine sehr dünne organische Schichtfolge – circa 100 Nanometer =
1/10 000mm – abgeschieden, die von einer metallischen Elektrode komplettiert wird. Legt man eine Spannung zwischen metallischer und transparenter Elektrode an, emittiert das Bauelement durch die transparenten Schichten Licht.

Die Bauelemente sind zwar von ihrer Lichtemission sehr vorteilhaft, da sie ein flächiges weiches Licht mit hoher Lichtqualität emittieren, aber sinnvoll einsetzbar sind diese Bauelemente nur, wenn sie sie auch mit hoher Effizienz für elektrische Leistungen in Licht umsetzen. Ein wesentlicher Aspekt der Effizienzsteigerung unserer Arbeiten war daher, die Leitfähigkeit der organischen Materialien deutlich zu steigern: Damit werden Verluste durch den Widerstand in den Schichten vermieden und es wird möglich, die Bauelemente fast auf jedem Substrat oder mit jeder Elektrode zu realisieren.

Flexible OLED © Fraunhofer COMEDD

Ein Ansatz, die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu steigern, ist die sogenannte Dotierung, die in den anorganischen Halbleitern seit Jahrzehnten bekannt ist: Den halbleitenden Materialien wird in sehr kleiner Konzentration ein Material beigemischt, das bewegliche Ladungsträger erzeugt. In den organischen Halbleitern war dieses Prinzip bis vor wenigen Jahren zwar prinzipiell bekannt, wurde aber als wenig effizient und für Bauelemente eher schädlich eingeschätzt. Durch die Arbeiten zur Dotierung organischer Halbleiter gelang es uns zu zeigen, dass auch organische Schichten effizient dotiert werden können und dass die Effizienz von organischen Bauelementen wie OLED und Solarzellen so deutlich gesteigert werden kann.

In den letzten Jahren mündete diese neue Dotierungsart organischer Halbleiter in sehr effiziente Bauelemente wie z. B. organische Leuchtdioden, die die herkömmlichen Leuchtstoffröhren an Effizienz deutlich übertreffen.

Dieser Artikel ist in ähnlicher Form im FAZ-Magazin „Verantwortung Zukunft“ erschienen.

In der Welt der Chemie wissen wir ziemlich genau, was warum mit wem eine Bindung eingeht. Das wüssten wir auch außerhalb der Welt der Atome und Elektronen gern, besonders, wenn es um Liebesbeziehungen geht. Doch während die Chemie immer mehr darüber weiß, werden wir ratloser, wenn es um Bindungen geht.

Jetzt hat die Chemie sogar eine Bindung entwickelt, die man sich in der Halbleiterindustrie lange überhaupt nicht vorstellen konnte. Halbleiter stecken als Transistoren oder Dioden in Handys, Fernsehern oder Lampen. Sie sind bislang meistens aus Silizium und gehören zur Welt der anorganischen Chemie. Ihr Name kommt daher, dass sie Strom entweder leiten oder nicht.

Lange ist man davon ausgegangen, dass Halbleiter mit der organischen Chemie nicht zusammen passen – zu geringe Stromausbeute. Trotzdem blieb die Idee verlockend, eine Alternative zu den
herkömmlichen anorganischen Halbleitern zu entwickeln, weil sie mit ziemlich hohem Aufwand hergestellt werden. Außerdem sind sie nicht flexibel, sie lassen sich nicht verbiegen.

Daher blieb es eine wichtige Forschungsfrage, ob sich nicht doch gute Halbleiter aus Kohlenstoff entwickeln lassen. Gut bedeutet, dass sie mindestens so viel Strom leiten wie die üblichen aus Silizium. Stichwort: Effizienz.

Ein Schlüssel, um die Effizienz von Halbleitern zu steigern, ist die “Dotierung”. Dabei verändert eine sehr kleine Menge fremder Atome die Leitfähigkeit. Es geht also darum, zu erforschen, ob und welche Elemente sich einschleusen lassen, ohne dass z. B. der Fernseher oder das Handy kaputt gehen. Technischer ausgedrückt geht es darum, die Leitfähigkeit von Halbleitern so zu steigern, dass sie mit den herkömmlichen mindestens mithalten können und die Bauteile in denen sie enthalten sind nicht zerstören.

Prof. Karl Leo hat mit seinen Forschungsarbeiten gezeigt, dass es geht – Halbleiter aus Kohlenstoff können effizient Strom leiten, wenn man die richtigen Fremdatome in der richtigen Dosierung beifügt. Für diese Grundlagenforschung erhielt er im Jahr 2011 den Deutschen Zukunftspreis. Durch die gelungene Dotierung und da die organischen Halbleiter in extrem dünnen Schichten hergestellt werden können, konkurrieren OLEDs jetzt mit den herkömmlichen Halbleitern.

Die ersten Anwendungen sind schon auf dem Markt, genauer auf dem Display-Markt. Übliche, nicht selbstleuchtende farbige LCDs sind kurz gesagt ziemlich kompliziert herzustellen. Diese Leuchtdioden basieren auf anorganischen Flüssigkristallen. Unpraktisch ist auch, dass LCD-Monitore nicht aus allen Blickwinkeln gut lesbar sind.

Das ist bei den organischen Leuchtdioden (OLED) anders. Sie selbst emittieren das Licht im Unterschied zu LCDs, die es nur filtern. Daher sind Bildschirme mit OLEDs aus allen Blickwinkeln gut lesbar. Darüber hinaus lassen sie sich deshalb zu extrem flachen Displays verarbeiten. Sie benötigen keine Hintergrundbeleuchtung wie z. B. das i-pad. Genauso vorteilhaft ist der relativ geringe Energieverbraucht bei hoher Helligkeit.

Spektakulär wären aufrollbare Monitore, die als hauchdünne Roll-E-Books eher an Papyrus als an Displays erinnern. Oder eine elektronische Retro-Landkarte, die Straßen oder unterschiedliche Stadtansichten auf großer Fläche zeigt. Man könnte sich wieder mit dem Finger auf der Karte über den richtigen Weg streiten.

Doch nicht nur als Monitore könnten OLEDs unseren Alltag umkrempeln. Leuchtende Tapeten an der ganzen Wand oder Möbel mit integrierten Lichtmatten – Vieles ist denkbar.

Nachdem die Chemie also für die organische Halbleiterindustrie klären konnte, was in welcher Menge zum Dotieren gebraucht wird, ist noch eine ziemlich entscheidende Frage offen: Was muss getan werden, damit OLEDs möglichst lange halten? Tja, die Haltbarkeit ist auch für grob geschätzt 99,3 % aller Paare ein ungelöstes Rätsel.

Die Forschung wird das für die OLEDs sicher klären. Wir müssen für uns neben Fragen der Haltbarkeit klären, wie sich eine Bindung überhaupt aufbauen lässt. Das wird in Zukunft wohl nicht einfacher, egal ob mit LCD- oder OLED-Display, wie dieses Video zeigt: