Organische Elektronik
Organische Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektronik, das elektronische Schaltungen aus elektrisch leitfähigen Polymeren oder kleineren organischen Verbindungen verwendet. Ausgehend vom im englischen Sprachraum vorwiegend verwendeten Begriff „{{#invoke:Vorlage:lang|flat}}“ wird auch das Synonym Polymerelektronik verwendet (sehr viel seltener auch Plastikelektronik oder Kunststoffelektronik). Generelles Merkmal aller Konzepte ist in der Regel das Design der Schaltkreise aus Makromolekülen und im Vergleich zu herkömmlicher Elektronik aus multi-molekularen Strukturen größerer Dimension. Daher wird außerdem das neue Kunstwort Polytronik (in Analogie zu Mechatronik) verwendet.
Merkmal der organischen Elektronik ist die Verwendung mikroelektronischer Bauelemente auf Trägermaterialien aus organischen Folien sowie mit Leiterbahnen und Bauelementen aus leitfähigen organischen Molekülen (organische Halbleiter) gefertigt werden. Die Moleküle (neben Monomeren und Oligomeren vor allem Polymere) werden dabei in Form dünner Filme oder kleiner Volumen auf die Folien aufgedruckt, aufgeklebt oder anderweitig angebracht. Für die Herstellung der dünnen Schichten kommen alle Verfahren in Betracht, die auch für Elektronik auf keramischen oder halbleitenden Trägern verwendet werden.
Polymerelektronik
Je nach chemischem Aufbau können Polymere elektrisch leitende, halbleitende oder nichtleitende Eigenschaften besitzen. Die Isolationsfähigkeit der „normalen“ Polymere des täglichen Gebrauchs werden schon seit Beginn des 20. Jahrhunderts in der Elektrotechnik, beispielsweise als isolierende Hülle von Kabeln, genutzt. Anfang der 1970er Jahre wurden erstmals auch elektrisch leitfähige und halbleitende Polymere hergestellt und charakterisiert. Für Verdienste auf diesem Gebiet wurde 2000 der Nobelpreis für Chemie an Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid und Hideki Shirakawa verliehen. Durch den Einsatz dieser neuartigen Materialien für elektronische Anwendungen wurde der Begriff „Polymerelektronik“ geprägt.
Die Polymerelektronik befindet sich noch weitgehend im Labor- oder Pilotstadium. Im Jahr 2008 wurde mit dem PolyID<ref>PolyIC: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:
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Die geplanten polytronischen Anwendungen sollen den Markt für extrem preiswerte ubiquitäre Elektronik erschließen, welcher von der traditionellen Silizium-basierten Elektronik auf Grund spezieller Anforderungen und der Kosten für die Aufbau- und Verbindungstechnik nicht erreicht werden kann. Die Herstellungsprozesse für die Polymerelektronik werden daher in Richtung hoher Stückzahlen, äußerst niedriger Herstellkosten und weitgehend frei von Aufbauschritten entwickelt. Preiswerte Druckverfahren, Rolle-zu-Rolle-Beschichtungs- und Strukturierungsmethoden bilden für zukünftige Produkte in diesem Bereich eine wichtige Basis.<ref name="fhg"><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20070613184029
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Aufbau der Polymere
Das Grundgerüst der elektronischen Polymere sind konjugierte Polymerhauptketten, die aus einer streng alternierenden Abfolge von Einfach- und Doppelbindungen bestehen. Diese Polymere besitzen dadurch ein delokalisiertes Elektronensystem, welches Halbleitereigenschaften, und nach chemischer Dotierung Leitfähigkeit ermöglicht.
Vorteile der Polymerelektronik
Der Hauptvorteil dieser Schaltungen sind die geringeren Herstellungskosten, wodurch sie für sogenannte „Wegwerfelektronik“ (z. B. RFID-Tags auf Wegwerfverpackungen als elektronische Preisschilder) interessant sind. Außerdem besitzen Polymere Eigenschaften, die mit klassischen Halbleitern nicht möglich sind. So lassen sich beispielsweise flexible Folien mit integrierten Schaltungen herstellen.
Nachteile der Polymerelektronik
Es gibt bisher keine verlässlichen Angaben zu der Lebensdauer von Daten, die in elektronischen Polymerbaugruppen gespeichert werden. Solange zu der Frage der erwartbaren Lebensdauer keine klaren Angaben vorliegen, können keine Tests durchgeführt werden, und die Polymerelektronik bleibt daher ein weitgehend akademisches Thema. Lösungen, die auf Speicherinhalte verzichten können, sind eher selten und haben durchgängig eine geringe Qualität. Wenn die Frage aufkommt, welche praktisch umsetzbaren Ergebnisse die Forschung bisher gebracht hat, kann man sich daher in die Urzeit der Elektronik Anfang 1960 zurückversetzt fühlen. Bei hybriden Aufbauten (Kombination von Organischer Elektronik mit klassischer Siliziumtechnik) geht ein großer Teil der besonderen Merkmale der Polymerelektronik verloren.
Forschende merkten daher 2023 an, dass Recycling und Lebenszyklus-Betrachtungen bei Aspekten wie der Verkapselung besser berücksichtigt werden sollte. Im Zuge dessen schlugen sie unter anderem die Übernahme von Cradle-to-Cradle-Prinzipien vor.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Joachim Wille|Joachim Wille: }}{{#if:|{{#if:Polytronik. Recycling von Anfang an mitdenken|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Polytronik. Recycling von Anfang an mitdenken}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.klimareporter.de/technik/recycling-von-anfang-an-mitdenken%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Polytronik. Recycling von Anfang an mitdenken}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.klimareporter.de/technik/recycling-von-anfang-an-mitdenken}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Polytronik. Recycling von Anfang an mitdenken}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Klimareporter2023-07-25{{#if: 2023-07-26 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Kleine Moleküle
Sogenannte Kleine Moleküle (niedermolekulare Verbindungen) werden bisher nur für OLEDs eingesetzt (SOLED oder SMOLED). Weitere Technologien wie organische Solarzellen befindet sich im Übergang in die kommerzielle Anwendung.<ref>Heliatek in Dresden: Fabrik für Solarfolien verschiebt Massenproduktion, Sächsische Zeitung, abgerufen am 20. September 2021.</ref>
Anwendungen
Polyelektronik gilt als Schlüsseltechnologie mit zunehmender Bedeutung für eine Vielzahl von Anwendungen.
In den etablierten Anwendungsgebieten der Informationsverarbeitung besitzen anorganische Halbleiter im Vergleich zu molekülbasierten Technologien u. a. die Vorteile einer wesentlich höheren Ladungsträger-Beweglichkeit und Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen.<ref>H. E. Katz, Z. Bao, S. Gilat: Synthetic chemistry for Ultrapure, Processable, and High-Mobility Organic Transistor Semiconductors. In: Accounts of Chemical Research. 34, 2001, S. 359–369.</ref> Das Ziel der Entwicklung von Plastikelektronik beinhaltet daher (bislang) nicht, die klassischen Halbleitertechnologien auf Basis anorganischer Halbleiter zu ersetzen. Im Vordergrund steht vielmehr die Erschließung elektronischer Anwendungsbereiche, die sehr leichte und/oder mechanisch flexible Trägermaterialien erfordern.<ref>D. Filmore: Carbon electronics. In: Today’s Chemist at Work. 11, 2002, S. 25–27.</ref>
Zu solchen Anwendungen zählen z. B.
- Flachbildschirme<ref name="Kob">H. Kobayashi et al.: A novel RGB multicolor light-emitting polymer display. In: Synthetic Metals. 111–112, 2000, S. 125–128.</ref> bzw. sogenanntes
- „elektronisches Papier“<ref name="A. Rogers 2001">J. A. Rogers et al.: Paper-like electronic displays: Large-area rubber-stamped plastic sheets of electronics and microencapsulated electrophoretic inks. In: PNAS. 98, 2001, S. 4835–4840.</ref><ref>H. E. A. Huitema et al.: Active-Matrix Displays Driven by Solution Processed Polymeric Transistors. In: Advanced Materials. 14, 2002, S. 1201–1204.</ref>
oder Anwendungen, die sehr kostengünstige und einfache Herstellungsverfahren für eine ökonomisch rentable Massenfertigung voraussetzen wie z. B.
- Photovoltaikanlagen
- Chipkarten
- Sensoren<ref>B. K. Crone et al.: Organic oscillator and adaptive amplifier circuits for chemical vapor sensing. In: Journal of Applied Physics. 9, 2002, S. 10140–10146.</ref><ref>C. Bartic et al.: Monitoring pH with organic-based field-effect transistors. In: Sensors and Actuators B: Chemical. 83, 2002, S. 115–122.</ref>
- Identifikationsplaketten<ref name="Baude">P. F. Baude et al.: Pentacene-based radio-frequency identification circuitry. In: Applied Physics Letters. 82, 2003, S. 3964–3966.</ref>
Solche Anwendungsbereiche sind für die klassischen Herstellungs- und Strukturierungstechnologien der Halbleiterindustrie problematisch, da die notwendigen Prozesse extreme Bedingungen des Ultrahochvakuums, große Anforderungen an die Prozesssteuerung sowie hohe Temperaturen<ref>Rolf Enderlein: Mikroelektronik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin/Oxford 1993.</ref> erfordern – Bedingungen, die sehr kostenintensiv sind und empfindliche, flexible Substrate auf Polymerbasis ausschließen.
Spezielle Anwendungen
Neben leitenden oder halbleitenden Eigenschaften können die Materialien der Polymerelektronik auch unter gewissen Umständen Licht aussenden. Dies ermöglicht den Einsatz in organischen Leuchtdioden (OLED). Damit werden biegsame oder transparente Displays für Industrie und Medizin möglich.
Der umgekehrte Effekt, Licht zu absorbieren und in elektrische Energie zu verwandeln, ermöglicht die Anwendung in organischen Solarzellen (organische Photovoltaik).<ref name="polyic">PolyIC: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:
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}}, abgerufen am 21. Mai 2013.</ref> Zudem können diese Polymere als Sensoren oder auch als organische Speicher eingesetzt werden. Mit organischen Feldeffekttransistoren (OFET) können integrierte Schaltungen aufgebaut werden. Auch Anwendungen als elektronisches Papier erscheinen realisierbar.
Die Beweglichkeit der Ladungsträger ist mit ca. 0,2 cm²/Vs um drei bis vier Größenordnungen niedriger als in Silizium, daher können kurze Schaltzeiten mit OFET nicht realisiert werden.
In der Medizintechnik können Thrombosen, Lungenembolie und Schlaganfall mit einem polyelektronisch ausgestatteten Analysegerät vorzeitig erkannt werden. Praktisch kann dies zum Beispiel mit einem Sensorarmband geschehen, das Elektrosmog messen kann und Patienten mit Herzschrittmachern vor lebensbedrohlicher Strahlung warnt.
Mit dem Schlagwort „intelligentes Plastik“ wird die Zusammenführung kunststoffbasierter Systemfunktionen beschrieben, im Speziellen auch das Zusammenspiel verschiedener Polymere mit unterschiedlichen Dehnungseigenschaften. Durch das Kombinieren solcher Stoffe soll beispielsweise eine gezielte Formveränderung bei Temperaturerhöhung erreicht werden.
Herstellungsverfahren
Organische Moleküle und Polymere lassen sich durch vergleichsweise einfache Verfahren bei Verarbeitungstemperaturen von weniger als 120 °C auf verschiedene Substrate großflächig aufbringen und im Mikrometer-Bereich strukturieren:
- Drucken<ref>Z. Bao, J. A. Rogers H. E. Katz: Printable organic polymeric semiconducting materials and devices. In: Journal of Materials Chemistry. 9, 1999, S. 1895–1904.</ref>, z. B. Tintenstrahldruck (vgl. dazu auch z. B.<ref name="Kob" /><ref name="Sirr">H. Sirringhaus et al.: High-Resolution Inkjet Printing of All-Polymer Transistor Circuits. In: Science. 290, 2000, S. 2123–2126.</ref>), Siebdruck, Mikrokontakt-Stempeldruck
- Rotationsbeschichtung ({{#invoke:Vorlage:lang|flat}}<ref>H.-J. Butt, K. Graf, M. Kappl: Physics and Chemistry of Interfaces. Wiley-VCH 2003, S. 138</ref>), die mit nachgeschalteten Strukturierungsverfahren wie der Fotolithografie<ref>F. J. Touwslager, N. P. Willard, D. de Leeuw: I-line lithography of poly-(3,4-ethylenedioxythiophene) electrodes and application in all-polymer integrated circuits. In: Applied Physics Letters. 81, 2002, S. 4556–4558.</ref><ref name="Klauk">H. Klauk et al.: Pentacene organic transistors and ring oscillators on glass and on flexible polymeric substrates. In: Applied Physics Letters. 82, 2003, S. 4175–4177.</ref> oder Prägetechniken<ref name="Stutz">N. Stutzmann, R. H. Friend, H. Sirringhaus: Self-Aligned, Vertical-Channel, Polymer Field-Effect Transistors. In: Science. 299, 2003, S. 1881–1884.</ref> kombiniert wird.
Diese Verfahren setzen voraus, dass die leitfähigen organischen Moleküle als Lösung vorliegen. Allerdings besitzen nur wenige dieser Moleküle eine relevante Löslichkeit,<ref>Z. Bao: Materials and Fabrication Needs for Low-Cost Organic Transistor Circuits. In: Advanced Materials. 12, 2000, S. 227–230.</ref> so dass zur Erzielung einer Löslichkeit die meisten Substanzen chemisch modifiziert werden müssen oder lösliche Vorläufermoleküle verwendet werden, die erst nach der Deponierung chemisch umgewandelt werden ({{#invoke:Vorlage:lang|flat}}<ref>P. Herwig, K. Müllen: A Soluble Pentacene Precursor: Synthesis, Solid-State Conversion into Pentacene and Application in a Field-Effect Transistor. In: Advanced Materials. 11, 1999, S. 480–483.</ref>).
Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ist eine weitere, allerdings aufwendigere Herstellungsmethode. Eingesetzt wird thermisches Verdampfen<ref name="Baude" /> oder Modifizierungen wie die organische Gasphasenabscheidung (OPVD).<ref>M. Shtein et al.: Micropatterning of small molecular weight organic semiconductor thin films using organic vapor phase deposition. In: Journal of Applied Physics. 93, 2003, S. 4005–4016.</ref> Im Zusammenhang mit diesen Verfahren werden oft Schattenmasken zur Strukturierung verwendet<ref name="A. Rogers 2001"/>.
Funktionselemente
Zu den Funktionselementen, die als aktive Einheit für eine Plastikelektronik realisiert werden konnten, zählen:
- organischer Feldeffekttransistor/Dünnschichttransistor (OFET/OTFT):<ref>C. D. Dimitrakopoulos, P. R. L. Malenfant: Organic Thin Film Transistors for Large Area Electronics. In: Advanced Materials. 14, 2002, S. 99–118.</ref> In vielen Entwicklungsansätzen wird nur die Halbleiterschicht aus organischen Verbindungen aufgebaut (mittels Monomeren,<ref name="Klauk" /><ref>Y.-Y. Lin et al.: Stacked Pentacene Layer Organic Thin-Film Transistors with Improved Characteristics. In: IEEE Electron Device Letters. 18, 1997, S. 606–608.</ref><ref>H. E. Katz et al.: A soluble and air-stable organic semiconductor with high electron mobility. In: Nature. 404, 2000, S. 478–481.</ref> mittels Oligomeren<ref>B. Crone et al.: Large-scale complementary integrated circuits based on organic transistors. In: Nature. 403, 2000, S. 521–523.</ref> oder mittels Polymeren<ref name="Stutz" /><ref>H. E. A. Huitema et al.: Active-Matrix Displays Driven by Solution Processed Polymeric Transistors. In: Advanced Materials. 14, 2002, S. 1201–1204.</ref>) und die Elektroden konventionell oder z. B. durch Metalltransfer-Stempeldruck<ref>C. Kim, M. Shtein, S. R. Forrest: Nanolithography based on patterned metal transfer and its application to organic electronic devices. In: Applied Physics Letters. 80, 2002, S. 4051–4053.</ref> aus metallischen Substanzen gefertigt. Es lassen sich aber auch Ansätze verwirklichen, in denen sämtliche Komponenten aus Polymeren bestehen.<ref name="Sirr" /><ref>G. H. Gelinck, T. C. T. Geuns, D. M. de Leeuw: High-performance all-polymer integrated circuits. In: Applied Physics Letters. 77, 2000, S. 1487–1489.</ref>
- organische Leuchtdiode (OLED), mittels Monomeren<ref>A. Dodabalapur: Organic Light Emitting Diodes. In: Solid State Communications. 102, 1997, S. 259–267.</ref><ref>J. Blochwitz et al.: Non-polymeric OLEDs with a doped amorphous hole transport layer and operating voltages down to 3.2 V to achieve 100 cd/m 2. In: Synthetic Metals. 2002, S. 1–5.</ref><ref>J. G. C. Veinot et al.: Fabrication and Properties of Organic Light-Emitting “Nanodiode” Arrays. In: Nano Letters. 2, 2002, S. 333–335.</ref> und mittels Polymeren<ref>R. H. Friend et al.: Electroluminescence in conjugated polymers. In: Nature. 397, 1999, S. 121–128.</ref> realisierbar.
- organische Solarzelle, mittels Monomeren<ref>T. Shichiri, M. Suezaki, T. Inoue: 3-Layer Organic Solar-Cell. In: Chemistry Letters. 9, 1992, S. 1717–1720.</ref> und mittels Polymeren<ref>C. J. Brabec, N. S. Sariciftci, J. C. Hummelen: Plastic Solar Cells. In: Advanced Functional Materials. 11, 2001, S. 15–26.</ref><ref>B. de Boer et al.: Supramolecular self-assembly and opto-electronic properties of semiconducting block copolymers. In: Polymer. 42, 2002, S. 9097–9109.</ref> realisierbar.
Weblinks
Einzelnachweise
<references />
- Seiten mit defekten Dateilinks
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Webarchiv
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Webarchiv/Archiv-URL
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:URL
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:Linktext
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Webarchiv/Linktext fehlt
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:Datum
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:"
- Wikipedia:Weblink offline fix-attempted
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Toter Link
- Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Toter Link/URL fehlt
- Makromolekulare Chemie
- Halbleiterelektronik
- Gedruckte Elektronik