28.06.2022 - University of California, Santa Barbara

Die Kraft eines leitfähigen Polymers nutzen

Ein neues Material ist vielversprechend für die nächste Generation der organischen Elektronik

Jahrzehntelang haben Feldeffekttransistoren auf der Basis von Silizium-Halbleitern die elektronische Revolution vorangetrieben. Doch in den letzten Jahren sind die Hersteller bei der weiteren Verkleinerung und Effizienzsteigerung von Siliziumchips an harte physikalische Grenzen gestoßen. Das hat Wissenschaftler und Ingenieure dazu veranlasst, nach Alternativen zu konventionellen Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren (CMOS) zu suchen.

"Organische Halbleiter bieten gegenüber herkömmlichen siliziumbasierten Halbleiterbauelementen mehrere deutliche Vorteile: Sie werden aus reichlich vorhandenen Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff hergestellt; sie bieten mechanische Flexibilität und niedrige Herstellungskosten; und sie können leicht in großem Maßstab hergestellt werden", bemerkt Yon Visell, Ingenieurprofessor an der UC Santa Barbara, der zu einer Gruppe von Forschern gehört, die mit den neuen Materialien arbeiten. "Vielleicht noch wichtiger ist, dass die Polymere selbst mit einer Vielzahl von chemischen Methoden bearbeitet werden können, um den daraus resultierenden Halbleitern interessante optische und elektrische Eigenschaften zu verleihen. Diese Eigenschaften lassen sich auf viel mehr Arten gestalten, abstimmen oder auswählen als bei anorganischen (z. B. siliziumbasierten) Transistoren.

Die von Visell beschriebene Designflexibilität zeigt sich in der Rekonfigurierbarkeit der Bauelemente, über die die UCSB-Forscher und andere in der Zeitschrift Advanced Materials berichten.

Rekonfigurierbare Logikschaltungen sind als Kandidaten für die Post-CMOS-Elektronik von besonderem Interesse, da sie es ermöglichen, das Schaltungsdesign zu vereinfachen und gleichzeitig die Energieeffizienz zu erhöhen. Eine kürzlich entwickelte Klasse von Transistoren auf Kohlenstoffbasis (im Gegensatz zu Transistoren auf Silizium- oder Galliumnitridbasis), die so genannten organischen elektrochemischen Transistoren (OECTs), eignen sich nachweislich gut für rekonfigurierbare Elektronik.

In der jüngsten Veröffentlichung beschreiben Chemieprofessor Thuc-Quyen Nguyen, , der das UCSB-Zentrum für Polymere und organische Feststoffe leitet, und Koautoren, darunter Visell, ein bahnbrechendes Material - ein weiches, halbleitendes Polymer auf Kohlenstoffbasis - das einzigartige Vorteile gegenüber den anorganischen Halbleitern bietet, die derzeit in herkömmlichen Siliziumtransistoren zu finden sind.

"Rekonfigurierbare organische Logikbausteine sind vielversprechende Kandidaten für die nächsten Generationen von effizienten Computersystemen und adaptiver Elektronik", schreiben die Forscher. "Idealerweise wären solche Bauelemente von einfacher Struktur und Design, [sowie] energieeffizient und kompatibel mit Mikrofabrikationstechniken mit hohem Durchsatz."

Konjugieren für Leitfähigkeit

Ein konjugierter Polyelektrolyt (CPE-K) besteht aus einem zentralen konjugierten Grundgerüst mit abwechselnden Einfach- und Doppelbindungen und mehreren geladenen Seitenketten, an die Ionen gebunden sind. "Konjugierte Bindungen im gesamten Polymer machen es leitfähig, da die delokalisierten Elektronen über die gesamte Länge des Polymers eine hohe Mobilität aufweisen", erklärt der Hauptautor Tung Nguyen-Dang, ein Postdoktorand in Nguyens Labor, der von Visell mitbetreut wird. "In diesem molekularen Design werden zwei klassische Materialien, nämlich Polymere und Halbleiter, miteinander verbunden.

Künstliche Intelligenz (KI) spielte bei der Entwicklung des Materials eine Rolle. "Man kann bei der Herstellung eines Materials nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum vorgehen", sagt Nguyen. "Wir haben jedoch mit einem Professor der California State Northridge, Gang Lu, zusammengearbeitet, der mithilfe von KI Bausteine auswählte und Berechnungen anstellte, um eine ungefähre Vorstellung davon zu bekommen, wie wir angesichts des Energieniveaus und der Eigenschaften, die wir anstrebten, vorgehen sollten."

Rekonfigurierbarkeit herausfinden

Ein Hauptvorteil von CPE-K ist, dass es rekonfigurierbare ("dual-mode") Logikgatter ermöglicht, d. h. sie können im laufenden Betrieb entweder im Verarmungsmodus oder im Akkumulationsmodus betrieben werden, indem man einfach die Spannung am Gatter anpasst. Im Verarmungsmodus ist der Strom, der durch das aktive Material zwischen Drain und Source fließt, zunächst hoch, bevor eine Gate-Spannung angelegt wird (auch bekannt als der EIN-Zustand). Wenn die Gatespannung angelegt wird, sinkt der Strom und der Transistor wird in den AUS-Zustand versetzt. Im Akkumulationsmodus ist das Gegenteil der Fall: Ohne Gatespannung ist der Transistor ausgeschaltet, und das Anlegen einer Gatespannung führt zu einem höheren Strom, der das Gerät in den EIN-Zustand schaltet.

"Herkömmliche elektronische Logikgatter, die die Bausteine für alle digitalen Schaltungen in Computern oder Smartphones sind, sind Hardware, die nur die eine Aufgabe erfüllen, für die sie entwickelt wurden", sagt Nguyen. "Ein UND-Gatter hat zum Beispiel zwei Eingänge und einen Ausgang, und wenn die Eingänge alle 1 sind, dann ist der Ausgang auch 1. Ein NOR-Gatter hat ebenfalls zwei Eingänge und einen Ausgang, aber wenn alle Eingänge 1 sind, ist der Ausgang 0. Elektronische Gatter werden mit Transistoren implementiert, und ihre Neukonfiguration (z. B. der Wechsel von einem UND-Gatter zu einem NOR-Gatter) erfordert invasive Modifikationen, wie z. B. eine Demontage, die normalerweise zu kompliziert ist, um praktikabel zu sein.

"Rekonfigurierbare Gatter, wie das von uns gezeigte, können sich wie beide Arten von Logikgattern verhalten und durch Änderung der Gatterspannung von UND auf NOR und umgekehrt umschalten", fährt sie fort. "Derzeit wird in der Elektronik die Funktionalität durch die Struktur definiert, aber bei unserem Gerät kann man das Verhalten ändern und es zu etwas anderem machen, indem man einfach die angelegte Spannung ändert. Wenn wir diese Erfindung von einem einzelnen Gatter auf viel komplexere Schaltungen mit vielen rekonfigurierbaren Gattern ausweiten, können wir uns eine leistungsfähige Hardware vorstellen, die mit viel mehr Funktionen programmiert werden kann als herkömmliche Schaltungen mit der gleichen Anzahl von Transistoren."

Ein weiterer Vorteil der CPE-K-basierten OECTs: Sie können bei sehr niedrigen Spannungen betrieben werden, was sie für den Einsatz in der persönlichen Elektronik geeignet macht. In Verbindung mit seiner Flexibilität und Biokompatibilität macht dies das Material zu einem wahrscheinlichen Kandidaten für implantierte Biosensoren, tragbare Geräte und neuromorphe Computersysteme, in denen OECTs als künstliche Synapsen oder nichtflüchtige Speicher dienen könnten.

"Unser Kollege stellt Geräte her, die den Abfall des Glukosespiegels im Gehirn, der kurz vor einem Anfall auftritt, überwachen können", erklärt Nguyen über einen Mitarbeiter der Universität Cambridge in England. "Und nach der Erkennung kann ein anderes Gerät - ein mikrofluidisches Gerät - ein Medikament lokal abgeben, um den Prozess zu stoppen, bevor er stattfindet."

Die aus CPE-K hergestellten Geräte verfügen laut Nguyen über eine gleichzeitige Dotierung und De-Dotierung, je nach Art der Ionen. "Man stellt das Gerät her und legt es in einen flüssigen Elektrolyten - Natriumchlorid [d. h. Kochsalz], das in Wasser gelöst ist", sagt sie. "Man kann dann das Natrium dazu bringen, in die aktive Schicht des CPE-K zu wandern, indem man eine positive Spannung am Gate anlegt. Alternativ kann man auch die Polarität der Gatespannung ändern und Chlorid dazu bringen, in die aktive Schicht zu wandern. Jedes Szenario führt zu einer anderen Art der Ioneninjektion, und diese verschiedenen Ionen ermöglichen es uns, die Betriebsmodi des Bauelements zu ändern."

Die Selbstdotierung vereinfacht auch den Herstellungsprozess, da der zusätzliche Schritt der Zugabe von Dotierstoffen entfällt. "Wenn man einen Dotierstoff hinzufügt, ist er oft nicht gleichmäßig im gesamten Materialvolumen verteilt", sagt Nguyen. "Die organischen Dotierstoffe neigen dazu, sich zusammenzuballen, anstatt sich zu verteilen. Da unser Material diesen Schritt nicht benötigt, gibt es das Problem der ungleichmäßigen Verteilung der Dotierstoffe nicht. Außerdem entfällt der gesamte Prozess der Optimierung des Dotierstoffs und der Bestimmung der richtigen Mischung und des richtigen Verhältnisses, was alles zusätzliche Schritte erfordert und die Verarbeitung erschwert."

Das Team hat außerdem ein physikalisches Modell für das Bauelement entwickelt, das seinen Funktionsmechanismus erklärt und sein Verhalten in beiden Betriebsarten korrekt vorhersagt und damit zeigt, dass das Bauelement das tut, was es zu tun scheint.

Visell schlussfolgert: "Diese bemerkenswerte neue Transistortechnologie ist ein ideales Beispiel für die überraschenden elektronischen und computergestützten Funktionen, die durch konvergierende Forschung in den Bereichen Chemie, Physik, Werkstoffe und Elektrotechnik ermöglicht werden."

  • Dual-Mode Organic Electrochemical Transistors Based on Self-Doped Conjugated Polyelectrolytes for Reconfigurable Electronics; Advanced Materials; 2022

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