Organische Elektronik Zugedeckte Elektroden für neue flexible Bauteile

Schaltkreise auf Plastikfolien gedruckt – dies stellt zahlreiche Hürden an die Produktionstechnik von beispielsweise Elektroden. Mit einer organischen Deckschicht haben Forscher der Uni Marburg nun verbesserte, aufgedruckten aufgedruckte Silberelektroden realisiert.

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Philipps-Universität Marburg

Marburg – Elektronik auf Kunststoffbasis: dank der jüngsten Entdeckung von Marburger Physikern rückt diese Errungenschaft der Alltagstauglichkeit näher. Die Forscher zeigten, dass sich die elektrische Leistungsfähigkeit von Silberelektroden verbessert, wenn man sie zuvor mit extrem dünnen Molekülfilmen beschichtet. Das gilt sowohl für hochgeordnete kristalline als auch für ungeordnete Silberelektroden. „Unsere Ergebnisse ermöglichen es, Silberkontakte auf flexible Plastiksubstrate aufzudrucken, ohne die Leistungsfähigkeit durch große Kontaktwiderstände zu den organischen Halbleitern zu stark einzuschränken“, erklärt Prof. Dr. Gregor Witte, der die Forschungsarbeiten an der von der Philipps-Universität Marburg leitete.

Elektronische Kunststofffolien mit kleinem Widerstand

Organische Elektronik gilt als Technik der Zukunft: Ihre Bauteile lassen sich preisgünstig produzieren. Da diese biegsam sind, erlauben sie neuartige Anwendungen, seien es Plastik-Etiketten mit elektronischen Schaltungen, faltbare Displays oder ähnliches. Metalltinten machen es dabei möglich, Leiter und Kontakte auf Kunststofffolien zu drucken, bevor hierauf dann die organischen Halbleiter aufgebracht werden.

Um eine leitfähige Schicht zu erhalten, muss der gedruckte Metallkontakt noch erhitzt werden, ohne dabei das Plastiksubstrat zu schmelzen. Verwendet man Silber- statt Goldtinte, verringert sich die erforderliche Temperatur – „Silber bringt jedoch den Nachteil einer geringen Austrittsarbeit mit sich, was zu großen Kontaktwiderständen zu den organischen Halbleitern und damit zu hohen Energieverlusten führt“, erklärt Witte. Austrittsarbeit ist die erforderliche Energie, um Elektronen aus der Elektrode herauszulösen.

Damit die Kontaktwiderstände trotzdem so gering wie möglich sind, verwendete das Team um Witte organische Akzeptor-Moleküle, die sie als extrem dünne Schicht auf die Silberelektroden auftrugen. Als Deckschicht oder „Contact Primer“ wählten die Forscher Moleküle einer speziellen organisch-chemischen Verbindungsklasse (fluorierte Cyanoquinodimethane), die sie als Monolage auf das Plastiksubstrat aufbrachten. Durch diese Schicht erzielte das Team eine höhere Austrittsarbeit der Silberelektrode und damit einen geringeren Kontaktwiderstand.

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Monolage aus Molekülchaos

Um die Struktur und Herstellungsbedingungen solch dünner Schichten genau zu untersuchen, verwendeten die Wissenschaftler zunächst kristalline Silberelektroden, da dies auch eine hochauflösende mikroskopische Abbildung der Molekülschichten erlaubt. Doch statt der geplanten Monolage, fanden die Forscher etwas anderes. „Wir beobachteten, dass es bei der Beschichtung der Silberkontakte mit den molekularen Deckschichten zu einer spontanen Durchmischung mit dem Silbersubstrat kommt, sodass sich eine metall-organische Mischphase bildet, deren Dicke sich über mehr als hundert Moleküllagen erstreckt“, berichtet der Phsiker Felix Widdascheck aus Wittes Team. „Die Mischphase lässt sich jedoch kontrolliert verdampfen, sodass nur noch eine etwas stärker gebundene Monolage übrigbleibt.“

Mithilfe ihrer detaillierten Herstellungsprotokolle können die Forscher nun gedruckte Silberkontakte so modifizieren, dass sich gedruckte organische Elektronik durch Kenntnis der erforderlichen Prozesstemperatur ohne aufwändige Kontrolle der Dicke dieser Deckschicht verwirklichen lässt, wie Studienleiter Witte zusammenfasst.

Originalpublikation: Felix Widdascheck, Daniel Bischof & Gregor Witte: Engineering of Printable and Air-Stable Silver Electrodes with High Work Function using Contact Primer Layer: From Organometallic Interphases to Sharp Interfaces, Advanced Functional Materials 2021, DOI: 10.1002/adfm.202106687

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