Organische Dünnfilmtransistorenen als chemische Sensoren

Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuartiger organischer Dünnfilmtransistoren (OTFTs), die zur Beeinflussung ihrer elektronischen Eigenschaften eine zusätzliche funktionalisierte Dünnschicht zwischen dem Gate-Dielektrikum und der aktiven Schicht enthalten. Insbesondere werden wir uns auf chemisch reaktive Zwischenschichten konzentrieren, die für Sensoranwendungen geeignet sind und die Gegenwart des Analyten in eine Änderung der Kennlinien (insbesondere der Einsatzspannung) des Transistors übertragen. Dies erlaubt die Realisierung neuartiger chemischer oder photochemischer Sensoren b.z.w. Dosimeter. In ersten Voruntersuchungen mit kovalent gebundenen silanbasierten Zwischenschichten wurde bereits eine Verschiebung der Einsatzspannung der Transistoren um 70 V unter NH3 Gas beobachtet. Die Hauptaufgabe des Projekts stellt die Realisierung OTFT basierender Sensoren dar. Um die physikalischen und chemischen Details der involvierten Prozesse aufzuklären, werden allerdings auch eine Vielzahl analytischer Techniken angewendet werden: Diese umfassen eine detailierte elektrische Charakterisierung der Bauelemente und zahlreiche oberflächensensitive Techniken um Schichtdicken, Strukturen und Morphologien sowie chemische Zusammensetzungen der verscheidenen dünnen Filme zu bestimmen. Zusätlich werden auch quantenmechanische Berechnungen an Modellsystemen durchgeführt werden. Die eingesetzten Zwischenschichten bestehen aus: (i) kovalent gebundenen funktionalen Molekülen mit geeigneten Dockinggruppen zur Verankerung am Gate- Dielektrikum, und chemisch reaktiven oder photosensitiven Endgruppen; fürr derartige Zwischenschichten konnten wir in den vergangenen Monaten schon umfassendes Know-how aufbauen (ii) Aufgeschleuderte Polymere als zusätzliche Isolaterschichten mit gleichartigen funktionalen Sensorgruppen. Letztere sollen entweder direkt durch unsere Partner während der Synthese oder später über Oberflächenreaktionen direkt auf der Dünnschicht eingebaut werden. (iii) Langmuir-Blodgett Mono- und Multischichten mit ähnlichen Sensorgruppen. Der Vorteil liegt hier bei der besseren Ordnung im Film und der Möglichkeit kontrolliert Mehrschichtsysteme aufzubauen. Als reaktive funktionelle Gruppen werden Dockinggruppen für Analyten (z.B., Sulfonchloride, Kronenether and unprotische Basen) oder photoisomerisier- oder spaltbare Einheiten verwendet. Das vorliegende Projekt bildet eine Brücke zwischen den beiden großen Forschungsclustern in Österreich, die sich mit organischen Halbleitern beschäftigen: ISOTEC im Rahmen der Nanotechnologieinitiative mit dem Schwerpunkt auf Sensorik, sowie der NFN "Interace Controlled and Functionalized Organic Films". Durch die thematische Positionierung des beantragten Projektes zwischen diesen beiden Clustern (i.e., auf auf "interface control" basierende Sensoren) sind enorme Synergieffekte zu erwarten, die sowohl den beiden Clustern, wie auch dem aktuellen Projekt zugute kommen werden.

Organische Bauelemente haben enormes Potential für Anwendungen in Displays, Solarzellen, kostengünstigen Schaltungen und Sensoren. Zentrale Elemente in all diesen Anwendungen sind Dünnfilmtransistoren. Dementsprechend studierten wir im vorliegenden Projekt, wie sich die Eigenschaften solcher Transistoren durch chemische und photochemische Prozesse gezielt beeinflussen lassen. Dies wurde durch das gezielte Einfügen einer dünnen Schicht zwischen dem Dielektrikum und dem organischen Halbleiter erreicht. So konnten wir beispielsweise durch den Einsatz einer säurehaltigen Schicht eine Strategie entwickeln, durch die sich die Einschaltspannung organischer Transistoren um mehrere zehn Volt verschieben lässt. Die Bauelemente schalten somit "chemisch" zwischen Verarmungs- und Akkumulationsbetrieb. Der zugrunde liegende Prozess konnte als Protonentransferdotierung charakterisiert werden und lässt sich durch Wechselwirkung des Bauelements mit einer Base wie Ammoniak aufheben. Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass sich die Einschaltspannung der Transistoren durch gezielte Einstellung der Ammoniakdosis oder Variation der Dicke der Zwischenschicht nach Belieben über einen großen Bereich einstellen lässt. Die im Rahmen dieser Untersuchungen erzielten Erkenntnisse erlaubten uns dann einen neuartigen diskriminativen Ammoniaksensor zu entwickeln, der Ammoniak auch in feuchter Umgebung detektieren kann. Daneben erlaubten sie auch die Realisierung eines pH-sensitiven Schalters an dessen Ausgang abhängig davon, ob er vorher mit einer Säure oder einer Base in Kontakt war, entweder logisch "0" oder logisch "1" anliegt. Durch den Einsatz von dünnen aus Photosäuren bestehenden Schichten konnte außerdem das Wachstum der Halbleiterschicht über die Beleuchtungsdosis gesteuert werden. Darüber hinaus erlaubten uns diese Schichten die Entwicklung einer äußerst effektiven Methode zur photochemischen Herstellung von Invertern, die auch für die Realisierung komplexerer Schaltungen enormes Potential hat. Weit über diese bauelementerelevanten Aspekte hinausgehend, war die detaillierte Aufklärung der den oben beschriebenen Effekten zugrundeliegenden mikroskopischen Prozesse für das vorliegende Projekt von ganz zentraler Bedeutung. Um dies zu erreichen, führten wir eine Vielzahl sorgfältig geplanter Kontrollexperimente durch, wandten zahlreiche spektroskopische und Röntgentechniken auf unsere Bauelemente an und verglichen die experimentellen Ergebnisse mit den Resultaten von Bauelmentesimulationen und quantenchemischen Berechnungen. Diese Vorgehensweise ließ sich nur in enger Kooperation mit verschiedenen Arbeitsgruppen aus dem Bereich der Chemie, der theoretischen Physik und der Festkörperphysik realisieren und verleiht dem Projekt einen stark interdisziplinären Charakter.