Forscher versuchen, Dünnschichttransistoren mit Metalloxiden auf wärmeempfindliche Materialien zu drucken

Im Rahmen des Projekts Functional Oxides Printed on Polymers and Paper (FOXIP) versuchten Forschende der Empa, der EPFL und des Paul Scherrer Instituts, Dünnschichttransistoren mit Metalloxiden auf wärmeempfindliche Materialien wie Papier oder PET zu drucken. Das Ziel wurde letztlich nicht erreicht, aber die Beteiligten sehen das Projekt als gelungen an – wegen einer neuen Druckfarbe und eines Transistors mit „Memory-Effekt“.

Die Messlatte lag zweifellos hoch: Ziel war es, Dünnschichttransistoren auf Papiersubstrate oder PET-Folien zu drucken. Elektronische Schaltungen mit solchen Elementen spielen im wachsenden Internet of Things (IoT) eine wichtige Rolle, zum Beispiel als Sensoren auf Dokumenten, Flaschen, Verpackungen – ein globaler Milliardenmarkt.

Wenn es gelänge, solche Transistoren mit anorganischen Metalloxiden herzustellen, würde dies eine Fülle neuer Möglichkeiten eröffnen. Im Vergleich zu organischen Materialien wie dem halbleitenden Polymer Polythiophen, erklärt Projektleiter Yaroslav Romanyuk vom Empa-Labor für Dünnschichten und Photovoltaik, seien die Elektronen in diesen Materialien viel beweglicher. Sie könnten daher die Leistungsfähigkeit solcher Elemente deutlich steigern und müssten nicht durch teure Verkapselung vor Luft und Feuchtigkeit geschützt werden.

Hitze als Herausforderung

Bei Tinten, die Metalloxide enthalten, gibt es ein Problem: Um einen stabilen Transistor zu bilden, müssen die Materialien nach dem Drucken gesintert werden – typischerweise in einem Ofen. Alternativ kann mit Licht getrocknet und gesintert werden, beispielsweise mit niederwelliger UV-Strahlung oder einer Xenonlampe. Die bedruckte Schicht wird mit sehr kurzen Lichtblitzen erhitzt, um das Substrat zu schonen. Wasser, Lösungsmittel und Bindemittel verlassen dabei das Material.

Dennoch erhitzen solche Prozesse das Substrat auf bis zu 200 Grad – viel zu heiß für Papier oder PET, das bei Temperaturen um die 80 Grad an Festigkeit verliert, während andere Kunststoffe wie Polyimide viel höheren Temperaturen standhalten.

Von 2017 bis 2021 haben in einem vom ETH-Rat initiierten Projekt der «Strategic Focus Area – Advanced Manufacturing» (SFA-AM) Experten der Empa, des Soft Transducers Laboratory der EPFL und der Polymer Nanotechnology Group am Paul Scherrer Institut (PSI) arbeiteten bei jedem Schritt des Prozesses zusammen – zum Beispiel Beschichtungen, um die Oberfläche von Papier zu glätten, Tintenformulierungen, Bestrahlung usw. – und machten ziemliche Fortschritte.

Doch ihr „endgültiger Wunsch“, wie Romanjuk sagt, funktionsfähige Dünnschichttransistoren auf Papier zu drucken, ging nicht in Erfüllung. Die Prozesstemperaturen waren noch zu hoch, das Material zu rau. Und die gedruckten Transistoren auf Polymerfolien hatten schließlich eine zu geringe elektrische Leistung.

Erwarte das Unerwartete

Enttäuscht? Nein, sagt Jakob Heier von der Empa-Abteilung Functional Polymers. „Das Projekt war keineswegs ein Fehlschlag.“ Nicht nur wegen neuer Einblicke in technische Details, sondern wegen unerwarteter „Nebenwirkungen“.

„Das war ein hochspannendes Projekt mit vielen Überraschungen“, erinnert sich Heier an einen Vorfall, der Folgen haben sollte. Dabei handelte es sich um das Material Graphen, leitfähigen Kohlenstoff in atomdünnen Schichten, der sich auch gut für gedruckte Transistoren auf flexiblen Folien eignet.

Ein Doktorand im Team wäre nicht zufrieden damit, dass Graphen-Tinten nicht in höheren Konzentrationen gedruckt werden könnten. Die Partikel aggregieren, sie verklumpen, ein dünner Film kann sich so nicht bilden. Anstatt nur ein Lösungsmittel zu verwenden, probierte der Forscher eine spezielle Emulsion aus Graphen und drei Lösungsmitteln aus. Aber auch diese Beschichtung scheiterte im ersten Versuch. Als die Tinte beim nächsten Versuch gleichmäßig gemischt und dann leichten Scherkräften ausgesetzt wurde, gelang der Druck jedoch.

Neugierig untersuchten die Experten das Phänomen und stellten fest, dass die Scherkräfte die Struktur der Tinte grundlegend verändern. Das feine Graphen blättert in der Flüssigkeit nach, sodass Van-der-Waals-Kräfte wirken können. Dies sind relativ schwache Anziehungskräfte zwischen Atomen oder Molekülen. Das Ergebnis war eine gelartige Tinte – ohne Bindemittel wie Polymere, die sonst dafür sorgen, dass die Flüssigkeit ihre Konsistenz behält und sich nicht entmischt.

Ein Verfahren mit Marktpotenzial

Die Forscher realisierten eine Lösung mit praktischem Nutzen, die auch bei Raumtemperatur funktioniert: Die Tinte trocknet ohne Erwärmung. Wie sich herausstellte, lassen sich solche Van-der-Waals-Tinten nicht nur mit Graphen, sondern auch mit anderen zweidimensionalen Stoffen zum Drucken herstellen. Inzwischen ist das Verfahren patentiert, und einige Firmen zeigen laut Experten bereits Interesse an der Herstellung der begehrten Tinten – alles nach einem Zufall, den das Team mit gesunder Neugier untersucht hatte.

Es war nicht die einzige Überraschung im FOXIP-Projekt, wie Yaroslav Romanyuk erzählt. Ein Feldeffekttransistor mit einer Isolierschicht aus Aluminiumoxid, gedruckt auf einen hitzebeständigen Polyimid-Kunststoff, zeigte ein recht eigenartiges Verhalten. Anstelle eines konstanten Signals, wie zu erwarten gewesen wäre, zeigte es ansteigende Wellen. Das Ausgangssignal wurde stärker, weil es frühere eingehende Signale „erinnerte“.

„Einen solchen ‚Memory‘-Effekt zu zeigen, ist für einen Transistor eigentlich unerwünscht“, erklärt Romanyuk.

Aber ein anderer Student im Team hatte eine Idee, das Phänomen auf andere Weise zu nutzen. Ein Transistor mit einem solchen Memory-Effekt funktioniert ähnlich wie Schaltkreise im menschlichen Gehirn. Synapsen zwischen Nervenzellen übertragen nicht nur Signale, sondern speichern sie auch. Für Computer, die dem menschlichen Gehirn nachempfunden sind, könnte ein solcher synaptischer Transistor daher hochinteressant sein. Aber was konnte es tun?

Mit Unterstützung von Mozart

Um sein Potenzial zu erforschen, baute das Team eine elektronische Kopie des menschlichen Hörprozesses zusammen mit dem Dünnschichttransistor – und fütterte ihn mit einer beliebten Mozart-Melodie: Rondo „Alla Turca“ aus der Sonate Nr. 11 in A-Dur.

„Es musste ein lebhaftes Stück werden“, sagt Romanyuk mit einem Lächeln. Dieses Experiment und weitere Analysen zeigten, dass die synaptische Funktion des Transistors von wenigen Hertz bis fast 50.000 Hertz erhalten bleibt – eine viel höhere Bandbreite als bei vergleichbaren gedruckten Transistoren.

Konkrete Anwendungen sind für diese Grundlagenforschung – die das Team im Online-Journal veröffentlicht hat – freilich noch nicht in Sicht Wissenschaftliche Berichte– im Gegensatz zu Druckfarben ohne Bindemittel. Aber auf dem Weg zu neuen Computertechnologien können die Erkenntnisse ein nützlicher und überraschender Schritt sein – wie so oft in der Wissenschaftsgeschichte.

Solche Zufälle sind für Romanyuk und viele andere Forscher das i-Tüpfelchen, gerade bei Projekten an der Grenze des Machbaren.

„Wir haben unsere Ziele bewusst sehr hoch gesteckt“, sagt er. „Zufälle spielen dabei eine sehr große Rolle. Man stellt sich einer großen Herausforderung und dann passieren plötzlich und unerwartet diese Zufälle.“