Organische Halbleiter werden erwachsen

Die Untersuchung der elektronischen, optischen und elektrooptischen Eigenschaften von organischen Halbleitern, insbesondere von organischen Molekülkristallen begann vor etwa fünfzig Jahren. Die Spektroskopie an organischen Molekülkristallen war ein reizvolles Forschungsgebiet, weil die Lichtspektren dieser Kristalle in der Regel sehr viel schärfer strukturiert sind als die von anorganischen Halbleitern. Deshalb konnten die Struktur und die Dynamik der elektronischen Anregungszustände und der Phononen, d. h. der Schwingungen des Kristallgitters, in vielen dieser Kristalle mit höchster Präzision aufgeklärt werden. Das Gebiet wurde von einer kleinen, weltweit verstreuten Gruppe von Physikern und Physikochemikern als Grundlagenforschung erfolgreich gepflegt. Zwei Zentren dieser Gruppe waren an den Universitäten Stuttgart und Marburg. Die Experimente wiesen schon damals auf ein Anwendungspotential dieser Materialklasse hin für Bauelemente wie Dioden, Transistoren, photovoltaische Zellen und organische Leuchtdioden (OLEDs).

Es gab bei der technologischen Umsetzung Schwierigkeiten, die vor allem durch die oft geringe thermische und chemische Stabilität der Materialien begründet waren. Hinzu kamen schlecht definierte Grenzflächen und ungenügende elektrische Eigenschaften wie die geringe elektrische Leitfähigkeit und die niedrige Beweglichkeit der Ladungsträger. Eine Folge davon war, dass wohlbekannte Effekte elektrisch leitfähiger Festkörper (Metalle, Halbleiter) in organischen Festkörpern häufig schlecht oder gar nicht beobachtet werden konnten. Deshalb wurden die organischen Festkörper oft als Kuriositäten ohne großes Anwendungspotential betrachtet. Im Vergleich zu den anorganischen Halbleitern führten Bauelemente aus organischen Materialien - technologisch betrachtet - daher ein Schattendasein. Ihre kommerzielle Anwendung blieb lange Zeit auf wenige Märkte beschränkt, z. B. als Photoleitungsmaterialien in Kopiergeräten.

Seit etwa zwanzig Jahren hat sich die Situation jedoch drastisch geändert. Durch die Entdeckung von elektrisch hochleitfähigen Polymeren setzte ein enormes weltweites Interesse an organischen Halbleitern und deren Verwendung in der Elektronik und Optoelektronik ein. Grundlage für den rasanten Fortschritt waren die Synthese neuartiger Substanzen, die verbesserte Reinheit dieser Materialien, eine kontrollierte Schichtherstellung, ein wirksamer Schutz der Substanzen und Bauelemente vor Luft und Feuchtigkeit, und vor allem ein stetig wachsendes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. Seit kurzem ist man in der Lage, organische Kristalle zu züchten, deren Ladungsträgerbeweglichkeit nicht mehr durch Defekte, sondern ebenso wie in anorganischen Kristallen durch Phononenstreuung begrenzt ist. Vor wenigen Monaten gelang es erstmals, so grundlegende Halbleitereigenschaften wie den Quanten-Hall-Effekt oder elektrisch gepumpte Lasertätigkeit auch in organischen Halbleitern nachzuweisen.

Noch stärker als die Grundlagenforschung ist die Anwendungsentwicklung vorangeschritten. Man ist mittlerweile in der Lage, organische Leuchtdioden herzustellen, die in allen Farben effizient und langlebig leuchten. Inzwischen gibt sogar erste vollfarbige Flachbildschirme aus organischen Materialien. Darüber hinaus gelang es, organische Transistoren herzustellen, deren Schaltgeschwindigkeit vergleichbar mit der von Dünnfilm-Transistoren (TFT) aus amorphem Silizium ist, die in heutigen LCD-Bildschirmen eingesetzt werden. Da die Bauelemente aus Kunststoffen relativ einfach zu fertigen sind, eröffnet sich nun eine riesige Palette vielversprechender Produkte, angefangen von Transistoren und Plastikchips, über hochauflösende, vollfarbige Flachbildschirme bis hin zu Lasern.

Ausblick

Dieser kurze Beitrag kann die Faszination, die von den organischen Halbleitern ausgeht, und das Zukunftspotential, das in ihnen steckt, nur skizzieren. Außerdem hat man bisher vermutlich erst die "Spitze des Eisbergs" erforscht. Dabei stellt sich die Frage, warum auf diesem Gebiet in den letzten zehn Jahren so große Fortschritte erzielt und innovative industrielle Produkte teilweise bereits bis zur Marktreife gebracht werden konnten. Die Antwort hat zwei Teile. Zum einen gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten visionäre Grundlagenforscher, die hartnäckig und erfolgreich in einem Arbeitsgebiet geforscht haben, das ursprünglich keinerlei Anwendungsrelevanz besaß und unter ökonomischen Gesichtspunkten völlig unattraktiv erschien. Auf den Erkenntnissen dieser Forscher gründet die jüngste Entwicklung ganz wesentlich. Zum anderen wurde der Durchbruch vor allem durch die interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsarbeit von Physik, Chemie, Material- und Ingenieurwissenschaften und durch erfolgreiche Kollaborationen zwischen Industrie, Universitäten und öffentlichen Forschungsinstituten ermöglicht. Die neuesten Ergebnisse und Entwicklungen zeigen, dass Elektronik mit organischen Halbleitern ein sehr spannendes und zukunftsträchtiges Gebiet ist.