Kunststoffelektronik schneller gedruckt

Zwei Neuerungen im Druckverfahren machen elektronische Schaltkreise aus leitfähigem Kunststoff deutlich besser und billiger. Für flexible Displays, günstige Solarzellen oder auch Mikrosensoren wird solche biegsame Elektronik aus organischen Halbleitermolekülen preiswert und großflächig auf flexible Unterlagen gedruckt. Jetzt berichten Forscher von deutlichen Verbesserungen: Ihre dünnen Schichten leiten den Strom zehnmal effizienter als herkömmliche, sie sind schneller hergestellt und die so produzierten Halbleiter besitzen eine höhere Qualität. Zudem dürfte die neue Druckmethode namens FLUENCE mit unterschiedlichen organischen Materialien funktionieren, schreiben die Physiker im Fachblatt „Nature Materials“. Sie stellen damit Streifen aus großen, akkurat angeordneten Kristallen her. Ohne große Defekte im Kristallgitter, wie sie beim üblichen Schnelldruck oft entstehen, kann elektrische Ladung leichter hindurchfließen.

Vier Mikroskopbilder von streifenartigen Strukturen, die verschieden eingefärbt sind. In den oberen Bildern sind die Streifen sehr rau und uneben, unten sind sie erkennbar glatter.
Kristallordnung in der Kunststoffschicht

„Wir sind bestens vorangekommen, aber ich glaube, wir kratzen bislang nur an der Oberfläche“, erklärt Zhenan Bao von der Stanford University und dem Beschleunigerlabor SLAC in den USA. Das Team konzentrierte sich weniger auf die chemischen Eigenschaften der Materialien als vielmehr auf die Physik des Druckvorgangs. Indem Diao das Fließen des Lösungsmittels kontrollierte, in welchem die organischen Moleküle gelöst waren, konnte sie Defekte in der Kristallbildung minimieren. Entsprechend steht FLUENCE für fluid-enhanced crystal engineering, also flüssigkeitsunterstützte Kristallkonstruktion. Das Kontrollieren der Flüssigkeit ist zentral, wurde aber bislang kaum beachtet, so Diao: Denn wenn sich die „Tinte“ während des Druckens nicht gleichmäßig verteilt – ein häufiges Problem bei schnellen Printverfahren –, so sind die Halbleiterkristalle von Fehlstellen durchzogen.

Die Forscherin entwickelte deshalb eine Drucklamelle, auf deren Oberfläche winzige Säulen die Druckflüssigkeit durchmischen und so eine einheitliche Verteilung ermöglichen. Außerdem verhinderte sie ein weiteres oft auftretendes Problem: die Neigung zur zufälligen Kristallbildung auf der Unterlage. Vorgegebene chemische Muster auf dem Substrat sorgen nun dafür, dass die organischen Kristalle nur passend zur Druckrichtung entstehen. Röntgenuntersuchungen an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) bestätigten die Verbesserungen und führten schließlich zu hochgeordneten Dünnschichten aus Kristallen, die deutlich besser strukturiert und mindestens zehnmal länger waren als solche aus anderen Methoden auf Lösungsmittelbasis.

Ein wenige Zentimeter langer Streifen, der rosa und bläulich schimmert und auf dem lange, dünne Strukturen zu erkennen sind.
Feld von halbleitenden Kristallen

Auch mit einem anderen organischen Halbleitermaterial erzielten die Forscher eine deutlich verbesserte Molekularstruktur und eine bessere Qualität der Schicht. Sie vermuten sogar, dass ihre Methode mit einer Vielzahl von Materialien funktionieren wird. Als nächstes will das Team nun feststellen, welche theoretischen Prinzipien zwischen Material und Prozess der Verbesserung zugrunde liegen. Die meisten FLUENCE-Konzepte sollten sich auch den Bedürfnissen der Industrie anpassen lassen, so Diao.