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Organische Elektronik auf dem Weg in die Gigahertz-Liga

Dr, Hans Kleemann überprüft ein Ventil an einer Cluster-Anlage im IAP-Labor der TU Dresden. Foto: Heiko Weckbrodt

Dr, Hans Kleemann überprüft ein Ventil an einer Cluster-Anlage im IAP-Labor der TU Dresden. Foto: Heiko Weckbrodt

Dresdner TU-Professor Leo: Unsere Kohlenstoff-Elektronik wird nicht nur schnell sein, sondern auch biologisch abbaubar

Dresden, 31. März 2021. Optoelektroniker und Physiker der TU Dresden arbeiten derzeit an einer neuen Generation organischer Elektronik. Dabei verfolgen die Teams verschiedene Lösungspfade. Einiger dieser Innovationen zielen auf besonders schnelle organische Steuerelektronik für aufrollbare Bildschirme. Andere sollen beispielsweise Fahrradreifen ermöglichen, die in der Dunkelheit chic leuchten. Auch extrem preiswerte Umweltsensoren und biologisch abbaubare medizinische Schaltkreise rücken nun in greifbare Nähe. Das hat Prof. Karl Leo mitgeteilt, der als Dresdner Organikelektronik-Papst gilt und an der TU das Institut für Angewandte Physik (IAP) und das “Dresden integrated center for applied physics  and photonic materials” (DC-IAPP) leitet. „Unsere Vision ist eine breit einsetzbare kohlenstoff-basierte Elektronik“, betont Karl Leo. „Eine Elektronik, die anders als die heutigen Siliziumhalbleiter auch bioverträglich und natürlich abbaubar ist.“

Organische Elektronik kam bisher ans Tempo von Silizium-Chips nicht heran

Zwar hat organische Elektronik aus Dresden längst weltweit einen guten Ruf. Aber genauer betrachtet handelt es sich in vielen Fällen um Hybride, deren organische Komponenten auf starre, aber eben schnelle Ansteuer-Elektronik auf Siliziumbasis angewiesen bleiben. Das ist besonders misslich für organische Leuchtdioden (OLEDs) und daraus konstruierte Smartphone- und Fernsehbildschirme, die durch diesen anorganischen Anteil eben nicht wirklich frei biegsam sind. Ein Grund für diese Zwitterlösungen: Die organische Elektronik war bisher zu langsam für schnelle Steuer- und Rechenprozesse. Deshalb hatte Karl Leo vor einer Dekade die Devise ausgegeben: Zurück ans Reißbrett!

Prof. Karl Leo leitet das "Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Material" (IAPP). Foto: Heiko Weckbrodt

Prof. Karl Leo leitet das “Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Material” (IAPP). Foto: Heiko Weckbrodt

Ausweg in die Vertikale

Und dieser Neustart beginnt sich mehr und mehr auszuzahlen. IAP-Forscher Dr. Hans Kleemann beispielsweise hat gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen organische Transistoren (Minischalter) durch eine vertikale Bauweise auf Trab gebracht. Dabei werden die einzelnen Bauelemente nicht mehr nebeneinander, sondern übereinander erzeugt. Diese Architektur spart nicht nur Platz auf dem Träger, sondern sorgt auch für mehr Tempo. Kamen organische Serien-Schaltkreise bisher meist nur auf Schaltfrequenzen um die 20 bis 30 Megahertz, kann das Kleemann-Team nun organische Dioden per Kristallwachstum erzeugen, die bis zu 3 Gigahertz erreichen. Bei der Vermessungen dieser schnellen Bauelemente war das Know-How der Arbeitsgruppe von Prof. Frank Ellinger vom Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik entscheidend.

Ein Ringoszillator aus vertikalen organischen Bauteilen unterm Mikroskop. Abb.: Kleemann, IAP

Ein Ringoszillator aus vertikalen organischen Bauteilen unterm Mikroskop. Abb.: Kleemann, IAP

Zwar ist von der einfachen Diode bis zum kompletten organischen Schaltkreis noch ein Stück Weg zu gehen. Aber Kleemann und Leo sind zuversichtlich, mit der vertikalen Technik bald auch komplexe organische Schaltungen herstellen zu können, die ähnlich schnell wie Siliziumchips sind. Zudem ist ihnen kürzlich erst gelungen, vertikale Transistoren mit OLEDs in einem einzigen „Turmaufbau“ zu kombinieren. Weitere komplexe Strukturen sind absehbar. „Wir sind von unserem Ansatz überzeugt“, versichert Prof. Leo.

Nun doch frei aufrollbare Bildschirme möglich

Gelingt dies, könnte dies der organischen Elektronik neue Anwendungsfelder eröffnen, von denen lange schon fabuliert wird, die bisher aber an den Tücken der Praxis scheiterten: Frei aufrollbare Bildschirme mit hoher Lebensdauer und Darstellungsqualität gehören dazu, aber auch digitale Wundheilpflaster, organische Mensch-Maschine-Schnittstellen und körperverträgliche elektronische Implantate zum Beispiel für Epileptiker.

Organikelektronik-Forschung begann in Dresden schon zu DDR-Zeiten

Dabei können sich die Forscher und Forscherinnen der TU auf eine über Jahrzehnte akkumulierte Expertise stützen: Schon zu DDR-Zeiten arbeiteten Physiker und Physikerinnen der Dresdner Uni an kohlenstoffbasierten Farbfiltern für Kamera-Chips und anderer organischer Elektronik. Neuen Schwung bekamen diese Ansätze, als Professor Leo Mitte der 1990er dem Ruf aus Sachsen folgte.

EU-Haushaltskommissar Günther Oettinger macht sich ein Bild von der Produktion organischer Solaryellen bei Heliatek Dresden. Foto> Heiko Weckbrodt

Das Archivfoto zeigt EU-Haushaltskommissar Günther Oettinger bei einem Besuch in der Organiksolarzellen-Fabrik von Heliatek Dresden. Foto: Heiko Weckbrodt

Ausgründungen am Fließband

Bald stellten sich neben den wissenschaftlichen auch wirtschaftliche Erfolge ein: 1999 gründete das Leo-Team den Spezialanlagen-Hersteller “Creaphys”, der inzwischen vom bayrischen Anlagenbauer „MBraun“ übernommen wurde. 2001 folgte der OLED-Spezialist Novaled, den Samsung später aufkaufte – und dafür sorgte, dass Dresdner Organikelektronik-Expertise mittlerweile weltweit in Spitzen-Smartphones und -Fernsehern steckt. 2003 entstand die Schulbaukästen-Firma „Lexsolar“ und 2006 die „Heliatek“, die derzeit als weltweit erstes Unternehmen eine Massenproduktion biegsamer und transparenter organischer Solarfolien hochfährt. 2017 gründeten Physiker die Organiksensoren-Firma „Senorics“, die inzwischen auf über 30 Mitarbeiter gewachsen ist und auch schon Preise unter anderem für Bierbrau-Sensoren eingeheimst hat. Insgesamt entstanden so im Laufe der Jahre sieben Ausgründungen, vier weitere bereiten das IAP gerade vor.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: IAPP, Interview Leo, Mannsfeld  u.a., Oiger-Archiv

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