Der am 3. Physikalischen Institut entwickelte organ-ische Schaltkreis im Einsatz.                   (Grafik: Institut)

Organische Moleküle - häufig sind dies polyaromatische Kohlenwasserstoffe mit einer ringförmigen Anordnung ihrer Hauptkomponenten Kohlenstoff und Wasserstoff – besitzen wie das in der Chip-Industrie vorwiegend eingesetzte Silizium einen halbleitenden Charakter. Die kleinen Moleküle haben gegenüber Silizium jedoch den entscheidenden Vorteil, dass ihre Prozessierung bei niedrigeren Temperaturen stattfindet und damit energiesparender ist. Die Verwendung flexibler Unterlagen, auf denen die molekularen Schaltungen aufgedampft, aufgeschleudert oder aufgedruckt werden, eröffnet zudem Anwendungsbereiche, die mit klassischen Halbleitermaterialien nur unter großem Aufwand erschlossen werden können.

  Ursache für den bisher noch hohen Leistungsverbrauch sind die auftretenden Leckströme, wenn durch Anlegen einer Spannung an die Isolatorschicht des Transistors die zum Schalten erforderlichen Ladungsträger angesammelt werden sollen. Man spricht hierbei von Akkumulation. Die zur Akkumulation notwendige hohe Spannung wiederum resultiert aus den bisher verwendeten Isolatormaterialien, die eine kritische Dicke besitzen müssen, um auftretende Kurzschlüsse, so genannte pin-holes, weitestgehend zu vermeiden. Die zentrale Fragestellung lautet deshalb: Gibt es Isolatormaterialien, mit denen sich organische Bauteile herstellen lassen, die bei kleinen Betriebsspannungen eine ausreichende Leistungsfähigkeit zeigen? Dieser Herausforderung hat sich in Kooperation mit dem Max-Planck Institut für Festkörperforschung und der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg die Arbeitsgruppe von Dr. Jens Pflaum am 3. Physikalischen Institut (Lehrstuhl Prof. Jörg Wrachtrup) gewidmet. Die Forschungsarbeiten entstanden unter anderem im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms zu Organischen Feldeffekt Transistoren.  

Zehntausend Mal dünner als ein Haar

Zur Lösung des Problems haben die Forscher stäbchenförmige Isolatormoleküle mit einer Phosphonsäure-Endgruppe aus der Lösung auf dünne Aluminiumoxid-Unterlagen aufgebracht. Diese Moleküle sind nur etwa zwei Nanometer lang - dies ist weniger als das Zehntausendstel der Dicke eines menschlichen Haares. Außerdem ordnen sie sich selbständig in einer dichten Packung an, so dass sich kaum Kurzschlüsse ausbilden. Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, betragen die Leckstromdichten durch diese molekulare Isolatorschicht nur noch etwa zehn Mikroampere/Quadratzentimeter. Im direkten Vergleich mit Isolatoren aus Siliziumoxid bedeutet dies eine Verbesserung um zwei Größenordnungen.  

  In weiteren Untersuchungen wurden verschiedene Bauteile mit dem neuen Konzept realisiert. Die Forscher konnten dabei die Reproduzierbarkeit des einfachen Herstellungsprozesses eindrucksvoll bestätigen und zeigen, dass ihre Bauteile bereits mit Arbeitsspannungen von nur zwei Volt betrieben werden können. Setzt man die neue Schichtarchitektur in komplexen Schaltungen wie beispielsweise logischen Gates (dies sind digitale Schaltstufen für und/oder-Entscheidungen) ein, ergeben sich statische Leistungsaufnahmen von weniger als einem Nanowatt pro Schaltstufe. Gegenüber klassischen Siliziumschaltkreisen bedeutet dies eine deutliche Verringerung der statischen Verlustleistung und unterstreicht damit eindrucksvoll das Zukunftspotential, welches in der Organischen Elektronik auf der Nanometerskala liegt. Über die Ergebnisse berichtete die Zeitschrift Nature in ihrer Ausgabe vom 15. Februar: Hagen Klauk, Ute Zschieschang, Jens Pflaum und Marcus Halik: „Ultralow-power organic complementary circuits „ in Nature, Volume 445, Nr. 7129, Seite 745, www.nature.com/.  

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Dr. Jens Pflaum 3. Physikalisches Institut Tel. 0711/685-65228 Fax 0711/685-65281 e-mail: j.pflaum@physik.uni-stuttgart.de