Erste integrierte Schaltkreise aus Plastik

Wissenschaftlicher Durchbruch

20.02.2018 - Deutschland

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind binäre Schalter, die für die logische Verknüpfung in digitalen Schaltungen verwendet werden; sie sind die Bausteine eines integrierten Schaltkreises (IC).

Das grundlegende Konzept der selbstanordnenden Elektronik gibt es schon seit 1976. Seit Jahrzehnten besteht die Herausforderung darin, eine selbstanordnende Monoschicht eines Halbleiterpolymers in einem Transistor zu bilden. "Die Idee ist, dass alle Komponenten eines Transistors sich in einer hierarchischen Ordnung zusammenfügen und anordnen", sagte Kamal Asadi, Leiter der Humboldt-Forschungsgruppe am MPI für Polymerforschung. Die Monoschicht ist hoch organisiert und kann elektrische Ladungsträger gut leiten. Das Forschungsteam benutzte hierfür die Lösung eines Polymers. Durch das kontrollierte Eintauchen des Transistor-Substrates in die Lösung konnten die Forscher eine vollständige Polymer-Monoschicht wachsen lassen und erzeugen.

Wissenschaftlicher Durchbruch

Um diesen wissenschaftlichen Durchbruch zu erzielen, haben die Forscher das Halbleiterpolymer absichtlich in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst, das das Polymer allerdings nicht vollständig auflösen sollte. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den ersten selbstanordnenden Polymer-Feld-Effekt-Transistor (PoM-FET) herstellen. Dennoch macht ein PoM-FET noch keinen funktionellen integrierten Schaltkreis aus. Deshalb hat das Forschungsteam hunderte von PoM-FETs zusammengefasst und diese gleichzeitig betrieben, um einen 15-Bit-Code-Generator zu erstellen. Dieser Generator ist ein integrierter Schaltkreis, der eine Spannung in einen digitalen Code umwandelt. Dieses wissenschaftliche Ergebnis ist ein Meilenstein für die Anwendungen in der flexiblen Elektronik und in schnell reagierenden Sensoren.

Internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit

Diese wissenschaftliche Arbeit war eine Zusammenarbeit von mehreren internationalen Forschungsgruppen weltweit. Die Halbleiterpolymere wurde von der Gruppe von Professor He Yan an der Hong Kong University of Science and Technology, Hongkong synthetisiert. Die Polymermonoschichten wurden von der Gruppe von Professor Harald Ade an der North Carolina State University, USA, und von der Gruppe von Professor Wojtek Pisula an der Technischen Universität in Lodz, Polen, analysiert. Die PoM-FETs und die integrierten Schaltkreise wurden am MPI für Polymerforschung, Mainz hergestellt. Der Postdoktorand Dr. Mengmeng Li führte die Forschungsarbeiten durch, die von Dr. Kamal Asadi gemeinsam mit Prof. Wojtek Pisula geleitet wurden.

Originalveröffentlichung

Mengmeng Li, Deepthi Kamath Mangalore, Jingbo Zhao, Joshua H. Carpenter, Hongping Yan, Harald Ade, He Yan, Klaus Müllen, Paul W. M. Blom, Wojciech Pisula, Dago M. de Leeuw & Kamal Asadi; "Integrated circuits based on conjugated polymer monolayer"; Nature Communications; Volume 9, Article number: 451 (2018)

https://www.chemie.de/news/1153575/erste-integrierte-schaltkreise-aus-plastik.html