Impedanzspektroskopie organischer Gate Dielektrika

In diesem gemeinsamen Projekt der Laboratorien "Physik weicher Materie" (Prof. Dr. Siegfried Bauer) und "Linzer Institut für organische Solarzellen" (Prof. Dr. Niyazi Serdar Sraiciftci) wird die experimentelle Methode der breitbandigen dielektrischen Spektroskopie eingesetzt um den Einfluß ionischer Verunreinigungen in isolierenden polymeren Gate Dielektrika organischer Feldeffekt-Transistoren (OFET) zu studieren. In OFETs wird der Strom zwischen den Source und Drain Kontakten durch eine an die Gate Elektrode angelegte Spannung kontrolliert. Ein wesentlicher Faktor zur Beurteilung solcher Bauelemente ist damit durch das Verständnis des Transports von elektrischen Ladungen durch die verschiedenen organischen Schichten des Bauelementes gegeben. Oft zeigen dabei OFETs Hysteresen in der "Transfer-Charakteristik" auf, d.h. im Drain-Source Strom als Funktion der angelegten Gate-Source Spannung, und deuten damit eine elektrische Bi- oder sogar Instabilität des Elements an. Auf der einen Seite sind bistabile Zustände in OFETs erwünscht, um diese in organischen Speicherelementen zu nutzen, auf der anderen Seite benötigt man hysteresefreie Transistoren zur Entwicklung von integrierten organischen Schaltelementen. Das Feld der elektrischen Bi- und Instabilitäten in OFETs ist immer noch im Anfangsstadium, und eine Reihe fundamentaler Fragen sind noch nicht gestellt. Im vorliegenden Projekt der eingangs genannten Laboratorien soll der Einfluss von beweglichen ionischen Verunreinigungen auf die dielektrischen Eigenschaften von polymeren Gate Isolatoren näher beleuchtet werden, um damit Korrelationen zu erarbeiten zwischen dem Vorhanden- bzw. abwesend sein von Hysteresen in OFETs. Die Studie wird durchgeführt an Metall-Isolator-Metall (MIM), Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) und OFET Strukturen. Als Dielektrika werden solche Polymere gewählt, die bereits in Publikationen als Gate Dielektrika Verwendung gefunden haben. Im einzelnen haben wir uns für Poly(vinyl alkohol) (PVA), Poly(4-vinyl phenol) (PVP), Poly(methyl methacrylat) (PMMA), Poly(vinyl chlorid) (PVC), Poly(vinylidene fluorid) (PVDF), Divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobuthene) (BCB) und Poly(a-methyl styrene) (PaMS) entschieden. Die ausgewählten Dielektrika haben abhängig von der jeweiligen Syntheseroute einen bestimmten Grad an ionischen Verunreinigungen. Die Analyse der dielektrischen Eigenschaften in MIS und MIM Strukturen, besonders bei niedrigen Frequenzen und unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Temperatur, relative Feuchte, Umgebungsluft oder Inertatmosphäre), verstärkt durch neue experimentelle Methoden zur Bestimmung der Beweglichkeit, Ladungsträgerkonzentration und Leitfähigkeit verspricht ein vertieftes Verständnis des Effektes von mobilen ionischen Verunreinigungen auf OFET Bauelemente. Darüber hinaus ist es geplant, OFETs gezielt durch das Reinigen der Dielektrika oder das Einfrieren der mobilen Ionen durch Vernetzungsreaktionen gezielt zu optimieren. Das Projekt ist nicht nur von reinem akademischem Interesse, es dient auch dazu Richtlinien zu entwickeln für die Herstellung von OFETs auf industrieller Skala. Schlüsselwörter: Organische Feld Effekt Transistoren, Dielectrische Spektroskopie, Ionische Verunreinigungen, Hysterese Effekte, Physik weicher Materie.

Dielektrische Polymere mit mobilen ionischen Verunreinigungen, welche zur Isolierung der Gate-Elektrode vonorganischenDünnschicht-Transistoren eingesetztwerden, beeinträchtigen oftmals die Funktion des Bauteils. Bei Transistoren mit Lösemittel basierten Polymer-Isolierschichten wurden instabile Arbeitspunkte und unerwünschte Hysterese- Effekte häufig beobachtet. Die elektrischen Eigenschaften vieler in der organischen Elektronik verwendeten Dielektrika und deren Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften des Gesamtsystems sind noch wenig verstanden. Als Modell-System für detaillierte Untersuchungen wurde Polyvinylalcohol (PVA) ausgewählt. Dieses Material ist ein in der organischen Elektronik weit verbreitetes dielektrisches Polymer mit bekannten, oben erwähnten, Nachteilen. Im Verlauf des Projekts erfolgte eine umfas- sende Analyse der ionischen Verunreinigungen. Ausführlichen Messungen und Analysen Dielektrischer Impedanz-Spektren, Polarisationsexperimente sowie thermisch stimulierte Strommessungen führten zu einem klar verbesserten Verständnis der elektrischen und dielektrischen Eigenschaften von PVA und ähnlichen Lösemittel basierten Polymer- Dielektrika. Unerwünschte, durch mobile ionische Verunreinigungen hervorgerufene Effekte, welche elektronische Anwendungen der Materialien einschränken, lassen sich durch Dialyse-Reinigung der Polymerlösungen verringern. Noch wesentlich bessere Ergebnisse sind zu erreichen über Vakuum-Aufdampfverfahren welche (im Vergleich zu Lösemittel basierten Verfahren) außerordentlich geringe Verunreinigungen in den dielektrischen Schichten verursachen. Solchermaßen hergestellte hoch-reine Dielektrika, wie z.B. Polyaniline und das kleine Molekül Melamine, ermöglichen ausgezeichnete Niederspannungs-Transioren ohne Hysterese. Insbesondere Dielektrika aus kleinen Molekülen in der Form unterschiedlicher Zucker (Laktose, Glukose, Suchrose) und auch Nuklleobasen (Adenin, Guanine, Thymine, Cytosine) sind zur Herstellung von hysteresefreien Niederspannungs-Transistoren geeignet. Die Erforschung von Dielektrika aus kleinen Molekülen natürlichen Ursprungs führte zur Entdeckung von kleinen Molekül-Halbleiter Materialien und biologisch basierten Substraten. Damit wird eine natürliche, umwelt- und biologisch verträgliche Elektronik möglich! Im Rahmen des Projekts gelang es viele biologische Materialien für die Verwendung als Halbleiter (Indigo, Purpur, Beta-Karotene) und Substrate (Schellack, Gelatine, Karamel, div. Bio-Polymere) zu testen und deren Eignung für organische Elektronik Bauteile zu demonstrieren. Die Projektarbeit initiierte eine neue Forschungsrichtung für biokompatible, grüne- und umweltverträgliche organische Elektronik.