Starke Transistoren aus organischem Molekül

15.03.2010

Ein neues Molekül haben Chemiker der Universität Würzburg und Forscher der BASF SE entwickelt: Mit ihm lassen sich leistungsstarke organische Dünnfilm-Transistoren für die Mikroelektronik herstellen.

Octachlorperylendiimid-Moleküle sind in sich leicht geknickt und ordnen sich daher an wie in der rechten Zeichnung. Die weitgehende Überlappung im Verbund ist ein Grund für die verbesserten Eigenschaften als organischer Dünnfilm-Transistor. Grafik: Marcel Gsänger

Weltweit wird an Transistoren aus organischen Materialien geforscht, die sich als hauchdünne Schichten in elektronische Bauteile einbringen lassen. Transistoren sind Bestandteile elektronischer Schaltungen, die in der Nachrichtentechnik oder in Computern eingesetzt werden.

Organische Dünnfilm-Transistoren sind heute zwar bei weitem nicht so leistungsfähig wie Silizium-Transistoren. Dafür bieten sie die Möglichkeit, kostengünstig auf flexiblen Unterlagen und großen Flächen angewandt zu werden. So lassen sich biegsame Bauteile und damit neue Anwendungen realisieren –zum Beispiel flexible Displays.

Publiziert in „Angewandte Chemie“

Gemeinsam mit Forschern der BASF hat der Würzburger Chemie-Professor Frank Würthner ein neues viel versprechendes organisches Molekül entwickelt: Octachlorperylendiimid. Die Wissenschaftler stellen es in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Angewandte Chemie vor.

Bei Tests an der Universität Stanford (USA) erwies sich das neue Molekül als besonders leistungsfähig und luftstabil. Damit eignet es sich gut für die Vakuum prozessierte Herstellung elektronischer Schaltungen.

Luftstabil durch Elektronenarmut

Gut funktionierende organische Transistoren für den Transport von p-Ladungsträgern gibt es schon viele. Eine Herausforderung stellt aber der Transport von n-Ladungsträgern dar. „Ein geeigneter Ersatz von acht Wasserstoffatomen war hier die entscheidende Maßnahme. Hierdurch werden die Moleküle elektronenärmer und somit viel stabiler an der Luft“, erklärt Dr. Martin Könemann von der BASF SE.

Auffällig: Das neue Transistormaterial funktioniert nach 20 Monaten an der Luft immer noch gut. Das ist bemerkenswert, weil organische Transistoren oft durch Sauerstoff angegriffen und beschädigt werden.

Backsteinartiger Verbund bringt Vorteile

Die verbesserten Eigenschaften sind auch bedingt durch die Anordnung der Moleküle im Festkörper: Wird das Material auf einen Trägerstoff aufgedampft, lagert es sich dort in Schichten ab. Darin ordnen sich die einzelnen Moleküle automatisch zu einem backsteinartigen Verbund an.

In diesem Verbund überlappen sich die Moleküle weitgehend. Dabei bilden sie so genannte Wasserstoff-Brücken untereinander aus; weitere erwünschte Wechselwirkungen kommen dazu. All das führt laut Professor Würthner zur erhöhten Beweglichkeit für Elektronen und zur verstärkten Widerstandsfähigkeit gegen Sauerstoff-Attacken.

A Crystal-Engineered Hydrogen-Bonded Octachloroperylene Diimide with a Twisted Core: An n-Channel Organic Semiconductor", M. Gsänger, J. H. Oh, M. Könemann, H. W. Höffken, A.-M. Krause, Z. Bao, F. Würthner, Angewandte Chemie 2010, 122, 752-755. doi:10.1002/ange.200904215