Image: Schaltkreise auf PlastikfolieFERCHAUFERCHAUWie Schaltkreise aus Plastik den Alltag revolutionieren können | Inok
TechnikSelbstanordnende Elektronik

Schalt­kreise auf Plas­tik­folie

Lesezeit ca.: 3 Minuten
Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Transistoren, die sich quasi wie von Geisterhand selbst anordnen: Mit dieser Methode wollen Mainzer Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts (MPI) für Polymerfor­schung rohstoffspa­rende, effiziente und flexible Schaltkreise kreieren, die so dünn und biegsam sind wie eine Plastikfolie.

30. Oktober 2018

Transistoren sind binäre Schalter, die für logische Verknüpfungen in digitalen Schaltungen eingesetzt werden. Es sind die wichtigsten Bausteine eines integrierten Schaltkreises (IC). Ein Mainzer Forschungs­team hat für die Produktion eines solchen Schaltkreises nur auf die molekularen Kräfte der beteiligten Moleküle gebaut: diese können sich quasi selbst zu einem Transistor formieren. Wie das genau funktioniert, erklärt der Forschungs­grup­pen­leiter des Max-Planck-Instituts (MPI) für Polymerfor­schung in Mainz, Kamal Asadi.

Was sind flexible Schaltkreise in Ihrem Fall, Herr Asadi?

Mit flexibler Elektronik meinen wir den kompletten Aufbau eines elektroni­schen Schaltkreises auf einer Plastikfolie. Somit funktioniert der Schaltkreis unter den gleichen Umweltbe­din­gungen, die auch die Plastikfolie ertragen muss: wie zum Beispiel eine Biegung oder eine Deformation. Diese flexible Elektronik bietet eine neue Designfrei­heit ihrer Produkte, da sich die Schaltkreise anpassen und formen lassen.

Worin liegt das Geheimnis Ihrer neuen Entwicklung?

Das grundlegende Konzept der selbstan­ord­nenden Elektronik gibt es schon seit über 40 Jahren. Die Herausfor­de­rung besteht darin, eine selbstan­ord­nende Monoschicht eines Halbleiter­po­ly­mers hierarchisch so anzuordnen, dass daraus auch ein Transistor mit all seinen Komponenten entstehen kann.

Welche Kräfte wirken hier, und wie werden diese für die Anordnung „manipuliert“?

Wir verlassen uns ganz einfach auf die Naturgewalten. Manipula­tion ist daher ausgeschlossen. Wir gestalten die Anordnung der Moleküle – in unserem Fall sind das Polymere – so, dass sie maximale Wechselwir­kungen aufeinander ausüben. Verantwort­lich dafür sind die Van-der-Waals-Kräfte, eine schwache intermole­ku­lare Kraft, die nur auf sehr kurzen Distanzen wirkt. Ihr Interakti­ons­ra­dius liegt in etwa der Größenord­nung von einem Tausendstel der Dicke von menschli­chem Haar.

Wie geschieht der Prozess genau?

Wir haben auf einem so genannten Transistor-Substrat alle Eigenschaften des Transistors abgebildet. Es ist quasi das „Negativ“ für den Kunststoff-Transistor, wenn Sie so wollen. Diese Vorlage wird nun in das Polymerbad getaucht. Nun wandern die elektrisch positiven Polymermo­le­küle automatisch zu den negativ geladenen Flächen auf dem Substrat und umgekehrt. So wächst langsam eine vollstän­dige Polymer-Monoschicht auf dem Substrat heran und formt dabei den Transistor. Externe Einflüsse – wie zum Beispiel eine Spannung – braucht es für diesen Prozess nicht.

Woher „weiß“ die Schicht, welche Funktion sie im Transistor übernehmen soll?

In einem Transistor spielt jede Schicht nur eine bestimmte Rolle. Die Zuordnung einer Rolle zu einer Ebene wird festgelegt, wenn die Materialien entworfen werden. Wir gestalten die einzelnen Komponenten so, dass beispiels­weise Moleküle selektiv an eine Metallober­fläche oder an eine isolierende Oxidober­fläche binden. Auf diese Weise haben wir selbstor­ga­ni­sie­rende Polymer-Feldeffekt­tran­sis­toren (PoM-FET) realisiert und Hunderte von PoM-FETs zu einem 15-Bit-Codegene­rator zusammen­ge­fasst.

Wo könnte so ein Code-Generator in der Praxis eingesetzt werden?

Solche Code-Generatoren könnten zum Beispiel in Radio Frequency Identifi­ca­tion (RFID) Tags verwendet werden. Im Moment sind wir nur an der reinen Wissenschaft interessiert.

Wie groß ist so ein Transistor, mit welchen Spannungen wird er betrieben, wie sehen darin die Kontaktan­schlüsse aus?

Ein Transistor-Kanal muss nur zirka zwei Mikrometer breit sein. Die ganze Transistor­fläche kann im Bereich von einigen zehn Quadratmi­kro­me­tern sein. Die Kontakte sind aus Gold, und die Spannung zum Betreiben liegt im Bereich zwischen fünf und zehn Volt.

Wie lange dauert der Prozess der Herstellung?

Die Herstellung umfasst die herkömmliche Folienli­tho­grafie zur Herstellung der Transistor-Maske sowie die anschlie­ßende Selbstor­ga­ni­sa­tion der Polymermo­no­schicht. Die Selbstor­ga­ni­sa­tion dauert nur wenige Minuten.

Welche Materialien werden für den Transistor verwendet?

In unserer Arbeit verwendeten wir halbleitendes Polymer Difluor Benzothia­diazol-Oligothio­phen-Copolymer, kurz PffBT4T-2DT, als aktive Komponente, um den Strom im Transistor zu leiten. Es ist ein eigenlei­tendes positiv leitendes Material ist. Daher war eine Dotierung mit Fremdmate­rial zur Erhöhung der Leitfähig­keit nicht notwendig!

Ließe sich so ein „Plastiktran­sis­tor“ auch aus recyceltem Kunststoff herstellen?

Die Herstellung eines halbleitenden Polymers ist ziemlich kompliziert und erfordert typischer­weise viele Synthese­schritte. Darüber hinaus sind für die hohe Leistungs­fä­hig­keit der Transistoren sehr reine Materialien notwendig. Beim heutigen Stand der Forschung können wir darüber also noch keine verbindli­chen Aussagen machen.