Tschüss Silizium: Neue Materalien für die Elektronik

| Redakteur: Julia Schmidt

Ein metall-organisches Netzwerk könnte in Zukunft als Ersatz für das Halbleitermaterial Silizium dienen.
Ein metall-organisches Netzwerk könnte in Zukunft als Ersatz für das Halbleitermaterial Silizium dienen. (Bild: MPI-P)

Ein Team von Wissenschaften aus Deutschland, Bulgarien und Spanien hat ein neues, metall-organisches Material entwickelt, das ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Für diese Anwendungen wird hochreines Silizium benötigt, das in der Herstellung sehr teuer ist, weil Defekte im Material dessen elektrischen Eigenschaften stark beeinflussen.

Die Forscher um Gruppenleiter Dr. Enrique Cánovas (Max-Planck-Institut für Polymerforschung, MPI-P) haben nun ein neues und kostengünstiges Material entwickelt, ein sogenanntes „metall-organisches Netzwerk“ (engl. metal-organic framework, MOF), das ähnliche elektrische Eigenschaften wie Silizium aufweisen soll.

Das MOF ist ein hochkristalliner Festkörper, der aus Eisenionen aufgebaut ist, die über organischen Moleküle miteinander verbundenen sind. Aufgrund dieser Struktur (Eisen + organische Moleküle) wird er als metall-organisches Netzwerk bezeichnet. Im Gegensatz zu Silizium kann das Material bei Raumtemperatur hergestellt werden. Die Zusammensetzung, Beschaffenheit und elektronischen Eigenschaften können hierbei während des Herstellungsprozesses einfach angepasst werden.

Die Elektronen in dem MOF verhalten sich ähnlich wie in Silizium

Frühere Versuche mit solchen Netzwerken zeigten keine oder eine nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. Deswegen eigneten sie sich nicht für den Einsatz in optoelektronischen Komponenten, wo eine ausreichende Beweglichkeit der Elektronen in dem Material bei Anlegen eines elektrischen Feldes benötigt wird. Mit dem neu hergestellten MOF haben die Forscher aus Mainz nun gezeigt, dass sich die Elektronen in dem organisch-basierten Material ähnlich wie in Silizium verhalten.

Das Verhalten wird als sogenanntes „Drude-Verhalten“ bezeichnet (nach dem Physiker Paul Drude). Das heißt, dass sich die Material-Elektronen bei Anlegen eines externen elektrischen Feldes fast frei bewegen können. Dieses Verhalten, das in inorganischen, hochgeordneten Kristallen wie Silizium beobachtet werden kann, war bisher kaum in organisch basierten Materialien zu finden, da diese normalerweise eine ungeordnete Struktur besitzen.

Zur Charakterisierung der einzigartigen Eigenschaften des hergestellten Netzwerks haben die Wissenschaftler des MPI-P die Technik der ultraschnellen Terahertz-Spektroskopie verwendet. Diese Technologie erlaubt eine Messung der Leitfähigkeit ohne physikalischen und damit störenden Kontakt zum Material. Hierbei wird über einen Laserpuls, der im sichtbaren Spektralbereich liegt, zunächst Energie an die Elektronen des Materials transferiert.

Mit einem zweiten Laserpuls – einem sogenannten Terahertz-Puls, der ungefähr einen Faktor 1000 langsamer schwingt als sichtbares Licht, wird dann die Leitfähigkeit dieser angeregten Elektronen abgefragt. Das Ergebnis ist ein frequenzabhängiges Leitfähigkeits-Signal, durch das die Wissenschaftler das Drude-Verhalten verifizieren konnten.

Metall-organischer Netzwerke in der Optoelektronik

„Durch diese Messungen konnten wir Rekord-Mobilitäten der Elektronen in diesem Material messen, welche die Mobilitäten von isolierenden MOFs um einen Faktor 10000 übersteigen“, sagt Dr. Enrique Canovas vom MPI-P. Das bedeutet, dass sich Elektronen bei Anlegen eines elektrischen Feldes über lange Strecken in dem MOF bewegen können. Ein Effekt, der in 1000 µm langen Proben gemessen werden konnte. Damit ebnet das neue Material den Weg für die Nutzung metall-organischer Netzwerke in der Optoelektronik.

In Zukunft wollen die Forscher daran arbeiten, die elektronischen Eigenschaften des Materials direkt bei der Herstellung über die Zusammensetzung des MOFs modifizieren und vorhersagen zu können. Ihre Forschungsergebnisse haben sie nun in dem renommierten Fachmagazin „Nature Materials“ veröffentlicht.

Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Das Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) zählt zu den international führenden Forschungszentren auf dem Gebiet der Polymerforschung. Durch die Fokussierung auf weiche Materie und makromolekulare Materialien ist das MPI-P mit seiner Forschungsausrichtung weltweit einzigartig. Seine Aufgabe ist es, neue Polymere herzustellen und zu charakterisieren. Zum Aufgabengebiet gehört auch die Untersuchung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Das MPI-P wurde 1984 gegründet.

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