Bye-bye, Silizium?

Auf dem Weg zu neuen Materialien für die Elektronik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben – so eine Medienmitteilung vom 16.10.2018 – zusammen mit Wissenschaftlern aus Dresden, Leipzig, Sofia und Madrid ein neues, metall-organisches Material mit ähnlichen Eigenschaften wie kristallines Silizium entwickelt. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für die in der Optoelektronik genutzten konventionellen nicht-organischen Materialien dienen.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Dafür wird hochreines, in der Herstellung sehr teures Silizium benötigt, weil Defekte in einem Material dessen elektrischen Eigenschaften stark beeinflussen. Wissenschaftler um Gruppenleiter Enrique Cánovas (MPI-P, Abteilung Prof. Dr. Mischa Bonn) haben nun ein neues und kostengünstiges Material entwickelt, ein sogenanntes „metall-organisches Netzwerk“ (engl. metal-organic framework, MOF).

[note Ein metall-organisches Netzwerk könnte in Zukunft als Ersatz für das Halbleitermaterial Silizium dienen – Bild © MPI-P, Lizenz CC-BY-SA]

Das von der Gruppe von Xinliang Feng in Dresden hergestellte MOF ist ein hochkristalliner, aus Eisenionen aufgebauter Festkörper, die über organischen Moleküle miteinander verbundenen sind. Aufgrund dieser Struktur (Eisen + organische Moleküle) wird er als metall-organisches Netzwerk bezeichnet. Im Gegensatz zu Silizium kann das Material bei Raumtemperatur hergestellt werden. Zusammensetzung, Beschaffenheit und elektronischen Eigenschaften können dabei einfach angepasst werden.

In der Vergangenheit hergestellte Netzwerke zeigten keine oder eine nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. Dies verhinderte deren Einsatz in optoelektronischen Komponenten, wo eine ausreichende Beweglichkeit der Elektronen in dem Material bei Anlegen eines elektrischen Feldes benötigt wird. Mit dem neu hergestellten MOF haben die Forscher aus Mainz nun gezeigt, dass sich die Elektronen in dem organisch-basierten Material ähnlich wie in Silizium verhalten. Das Verhalten wird als sogenanntes „Drude-Verhalten“ bezeichnet (nach dem Physiker Paul Drude). Dies bedeutet, dass sich die Material-Elektronen bei Anlegen eines externen elektrischen Feldes – also einer Spannung – fast frei bewegen können. Dieses Verhalten, meist beobachtbar in inorganischen, hochgeordneten Kristallen wie Silizium, wurde bisher kaum in organisch basierten Materialien beobachtet, da diese normalerweise eine ungeordnete Struktur besitzen.

Zur Charakterisierung der einzigartigen Eigenschaften des hergestellten Netzwerks verwendeten die Wissenschaftler des MPI-P ultraschnelle Terahertz-Spektroskopie. Die erlaubt eine Messung der Leitfähigkeit ohne physikalischen und damit störenden Kontakt zum Material. Hierbei wird über einen Laserpuls, der im sichtbaren Spektralbereich liegt, zunächst Energie an die Elektronen des Materials transferiert. Mit einem zweiten Laserpuls – einem sogenannten Terahertz-Puls, der ungefähr einen Faktor 1000 langsamer schwingt als sichtbares Licht, wird die Leitfähigkeit der angeregten Elektronen abgefragt. Das resultiert in einem frequenzabhängigen Leitfähigkeits-Signal, durch welches die Wissenschaftler das Drude-Verhalten verifizieren konnten. „Durch diese Messungen konnten wir Rekord-Mobilitäten der Elektronen in diesem Material messen, welche die Mobilitäten von isolierenden MOFs um einen Faktor 10000 übersteigen“, so Canovas. Daes bedeutet, dass sich Elektronen einfach über lange Strecken bei Anlegen eines elektrischen Feldes in dem MOF bewegen können – ein Effekt, der in 1000 µm langen Proben gemessen werden konnte. Daher ebnet das neue Material den Weg für die Nutzung metall-organischer Netzwerke in der Optoelektronik.

In Zukunft wollen die Forscher erreichen, dass sie die elektronischen Eigenschaften des Materials direkt bei der Herstellung über die Zusammensetzung des MOFs modifizieren und vorhersagen können. Ihre Forschungsergebnisse haben sie in Nature Materials veröffentlicht.

Enrique Cánovas studierte Angewandte Physik an der Autonomen Universität Madrid und erwarb einen Doktortitel an der Polytechnischen Universität Madrid. Dort fokussierte er sich auf die Erforschung von Quantendots für die Entwicklung von hocheffizienten Solarzellen. Nach zwei Jahren als Postdoktorand am FOM-Institut AMOLF in den Niederlanden wechselte er 2012 als Gruppenleiter in die Abteilung „Molekulare Spektroskopie“ bei Prof. Mischa Bonn am Max-Planck-Institut für Polymerforschung. Seit April 2018 ist er Professor am IMDEA-Institut für Nanowissenschaft in Madrid. Seine Forschungsinteressen betreffen alle Aspekte der Nanotechnologie, Solartechnologie und der Dynamik von geladenen Teilchen.

->Quellen:

  • mpip-mainz.mpg.de/PM2018-24
  • hmpip-mainz.mpg.de/-1538645652
  • Renhao Dong, Peng Han, Himani Arora, Marco Ballabio, Melike Karakus, Zhe Zhang, Chandra Shekhar, Peter Adler, Petko St. Petkov, Artur Erbe, Stefan C. B. Mannsfeld, Claudia Felser, Thomas Heine, Mischa Bonn, Xinliang Feng & Enrique Cánovas: High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework, in Nature Materials (2018)