Ludwig-Maximilians-Universität München
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Nanowissenschaften

Freischwebende Halbleiter

München, 04.03.2019

LMU-Forschern ist es gelungen, freischwebende, ultradünne organische Halbleiterfilme herzustellen.

Freischwebender organischer Halbleiterfilm aus Sicht eines Künstlers (ausgewähltes Frontcover der Advanced Materials Publikation). Bild: C. Hohmann (NIM)

Neue organische Halbleitermaterialien, die in den vergangenen Jahren gefunden wurden, versprechen bei sehr guten elektrischen Eigenschaften eine einfachere und billigere Herstellung, ohne dass dabei seltene Elemente benötigt werden. Dies erlaubt eine großindustrielle Produktion, beispielsweise durch Drucken der Materialien. Die Materialgruppe gilt aufgrund ihrer natürliche Eigenschaften wie ihre Flexibilität als vielversprechend für die Anwendung in elektronischen Geräten wie Bildschirmen und Sensoren.

Bis jetzt war es allerdings schwierig, die Materialeigenschaften genau zu charakterisieren. Der Grund: Organische Halbleiter wurden für die Analyse auf ein Trägermaterial aufgebracht. Dieser Träger selbst und die entstandenen zusätzlichen Grenzflächen konnten unter anderem die Mobilität der Ladungsträger beeinflussen, was das natürliche Zusammenspiel im Halbleiter verändert.

Professor Thomas Weitz und Professor Achim Hartschuh haben nun in interdisziplinärer Zusammenarbeit eine Möglichkeit gefunden, freischwebende, ultradünne organische Halbleiterfilme herzustellen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie nun im Fachmagazin Advanced Materials.

Nur zwei Lagen Halbleitermaterial
In ihren Versuchen konnten der Physiker Thomas Weitz und der Chemiker Achim Hartschuh organische Halbleiterfilme herstellen, die nur aus zwei oder drei Lagen des Materials bestehen. Herausragend ist die Tatsache, dass diese Filme auch bei einer Ausdehnung von mehreren hundert Nanometern (Kanallänge 100-450 nn, Breite 0,5-1 µm) ohne ein Trägermaterial auskamen.

Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern wird ihre Kristallstruktur durch van-der-Waals-Kräfte stabilisiert. Solche Wechselwirkungen sind mindestens zwei Größenordnungen schwächer als kovalente Bindungen. „Trotzdem zeigen unsere Messungen, dass die Qualität der Kristallstruktur unserer freischwebender Halbleiterfilme ausgezeichnet ist“, sagt Thomas Weitz. „Das Material weist exzellente Stabilität und exzellente elektrische Eigenschaften auf.“

Freischwebend und elektrisch unabhängig
Ziel der Wissenschaftler war es, hochgeordnete und elektronisch aktive Filme herzustellen, die gleichzeitig so dünn wie irgendwie möglich und elektronisch komplett unabhängig von ihrer Umgebung sind. Temperaturabhängige Messungen des Ladungstransportes konnte diese Entkopplung bestätigen.

Bis jetzt waren solche freischwebenden und nur wenige Nanometer dünnen Halbleiterfilme, stabilisiert einzig durch van-der-Waals-Bindungen, unerforscht. Die Münchner Wissenschaftler sind die ersten, denen Herstellung und Charakterisierung gelang. Ihre freischwebenden Filme sind somit die ersten ihrer Art, die eine detaillierte Analyse der Ladungstransportprozesse innerhalb eines Halbleiterfilms ermöglichen. (Advanced Materials 2019)