HEiKA Zentrum für Materialforschung

Vorarbeiten auf dem Gebiet der Organischen Elektronik haben die kritische Bedeutung der internen dreidimensionalen Struktur der Materialien aufgezeigt: Die Kontrolle der Nanomorphologie von Kompositschichten (Bulk Heterojunctions) in organischen Solarzellen ist der Schlüssel für hohe Effizienzen. In ähnlicher Weise spielt bei organischen Feldeffekttransistoren die Struktur der Materialien an den inneren Grenzflächen und bei organischen Leuchtdioden die Entmischung in Gast-Wirtssystemen eine zentrale Rolle für die Bauteileigenschaften. In diesem Forschungsfeld soll nun die Kontrolle der Zusammensetzung komplexer Funktionsmaterialien auf der Nanometerskala durch neuartige Ansätze zur Material­synthese und Prozessierungstechnologie systematisch vorangetrieben werden. An beiden Standorten sollen neue organische Makromoleküle, molekulare Halbleiter (Heteroacene etc.) und anorganische Nanopartikel intensiv und ergänzend beforscht werden und damit in der Kombination den Zugang zu neuen Funktionalitäten ermöglichen.

Ein besonders eleganter Weg in Richtung neu designter Materialien eröffnet sich durch selbstorganisierte organische und hybridorganische Molekülgerüste. Die Mehrzahl der mehr als 20.000 inzwischen identifizierten Volumenverbindungen, von denen viele hochporös sind, ist bislang noch nicht untersucht worden; jüngere Arbeiten zeigen ein riesiges Potential für diese neue Materialklasse auf. Mit den Arbeiten in diesem Forschungsfeld werden nicht nur die Grundlagen für effizientere Bauelemente der druckbaren Optoelektronik (Solarzellen und Leuchtdioden) und Elektronik (Feldeffekttransistoren) gelegt, es könnten auch weit darüber hinaus in Bereichen der Energietechnik (Gasseparation, solargetriebene photokatalytische Herstellung chemischer Energieträger, Energiespeicherung) und der Sensorik neue Wege eröffnet werden.

Die 3D-BioElektronik soll neue Anwendungen in Diagnose und Therapie durch neuartige Strukturen elektronischer Systeme perspektivisch zugänglich machen. Dem Verständnis der Wechselwirkung technischer Oberflächen der Bauelemente mit Körperflüssigkeiten, Geweben und Zellen kommt hier eine zentrale Funktion zu. Neuartige, auch in 3D-verdruckbare Materialien ermöglichen dabei beispiellose Zugänge zu biokompatiblen und implantierbaren „Devices“. Biologisch kompatible und biologisch abbaubare elektronische Systeme werden gezielt für neuartige in vivo Diagnose- und Therapieansätze entwickelt. Solche Systeme können mit organischen Halbleitern realisiert werden, da durch synthetische Variation wasserlösliche und biologisch aktive Vertreter relativ einfach herstellbar sind. Deren Eigenschaften dürften in der Kombination mit mikrofluidischen Systemen hochpotente Sensoren zur Früherkennung von Ungleichgewichten in biologischen Fluiden sein. Diese Ungleichgewichte können auch zur Spurenanalyse in komplexen Systemen, sowie zum Nachweis spezifischer Analyten verwendet werden. In solchen dreidimensional aufgebauten, mikrofluidischen Systemen, die durch wasserlösliche oder auch zweiphasige organische Halbleiter/Rezeptorelemente ertüchtigt sind, können kleinste Analytmengen in minimalen Volumina untersucht werden. Die Anwendungen für eine solche neue Sensorplattform sind sowohl bei der Analyse von Umweltgiften (Schwermetalle, flüchtige (volatile) organische Verbindungen (VOCs), Pestizidrückstände etc.) als auch von biologisch funktionsrelevanten Verbindungen (Proteine, Antikörper, etc.) zu suchen und bisher kaum wirklich beforscht.

Eine rein planare gedruckte organische Elektronik wird wohl hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Schaltkreise auch langfristig kaum zu der siliziumbasierten Mikroelektronik konkurrenzfähig sein.

Das Beispiel organischer Transistoren zeigt, dass neben den relativ geringen Ladungsträgerbeweglichkeiten der organischen Materialien auch die relativ großen Abstände gedruckter Elektroden (typischerweise einige 10 µm), die Transistorschaltzeiten nach unten limitieren. Durch dreidimensionale Ansätze für die einzelnen Transistoren, aber auch für gesamte Schaltungen, könnte hier ein Durchbruch erzielt werden. Eine wichtige Herausforderung ist hierbei auch die Realisierung druckbarer elektronischer Speicherbauelemente. Hierzu sollen insbesondere die vielfältigen Möglichkeiten evaluiert werden, die sich durch magnetische und damit schaltbare Nanopartikel sowie neuartige organische Materialien mit maßgeschneiderten magnetischen Eigenschaften ergeben.

In der Kombination mit fluidischen und optischen Funktionen könnten auf diese Art und Weise leistungsfähige miniaturisierte Sensor-Aktuatorsysteme entstehen, wie sie für die personalisierte Medizin, das Internet der Dinge und die ubiquitäre Sensorik und für die Industrie 4.0 erforderlich sind.