Organische Halbleiter sind viel versprechende Kandidaten für die Herstellung billiger, großflächiger und flexibler optischer und mikro- bis nanoelektonischer Bauteile wie Transistoren, Dioden, und Sensoren. Vorausgesetzt es gelingt, die Komponenten elektrisch leitend miteinander zu verbinden, sie also in Schaltkreise einzubinden. Forscher und -Forscherinnen haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich einfache Netzwerke aus organischen Nanodrähten herstellen lassen.

Das Ziel des EU-Projekt «PHODYE» ist, hoch sensible optische Gassensoren zu entwickeln, beispielsweise um Straßenverkehrsemissionen zu überwachen. Die Sensoren basieren auf fluoreszierenden Dünnschichten, die beim Kontakt mit bestimmten Gasmolekülen Farbe und Fluoreszenz ändern.

Physiker Pierangelo Gröning erklärt: „Uns schwebte zunächst eine Art elektronischer Schlüssel für Sicherheitsanwendungen vor, der nur auf bestimmte optische Bedingungen reagiert.“ Hierfür waren transparente, stark fluoreszierende Dünnschichten gefragt. Deswegen entwickelten die Forscher ein Plasmaabscheidungsverfahren, um fluoreszierende Farbstoffmoleküle wie Metallo-Porphyrine, Perylene und Phthalocyanine unversehrt und in hoher Konzentration in SiO2- oder TiO2-Schichten einzulagern.

Schnell zeigte sich: Lagern sich bestimmte Gasmoleküle an die Farbstoffteilchen in den Dünnschichten an, fluoreszieren diese Teilchen in einer anderen Wellenlänge, das heißt in einer anderen Farbe, und die Dünnschicht ändert dadurch ihre Farbe. Kommen verschiedene Farbstoffe zum Einsatz, lassen sich unterschiedliche, für den Menschen gefährliche Gase bereits in kleinsten Mengen detektieren.

Für viele Sensoranwendungen ist allerdings auch ein möglichst schnelles Ansprechverhalten wichtig – was sich mit kompakten Plasmafarbschichten kaum erfüllen lässt. Anders mit möglichst offenporigen Schichten – etwa in Form eines «Teppichflors» im Nanomaßstab: Durch sie erhöht sich die Adsorptionsfläche für die nachzuweisenden Gasmoleküle, und die Diffusionswege verkürzen sich; dadurch sollte der Sensor deutlich schneller reagieren. Die Physikerin Ana Borras entwickelte daraufhin ein neues Vakuumdepositionsverfahren zur Synthese organischer Nanodrähte.

Je nach Ausgangsmolekül und Versuchsbedingungen kann man mittlerweile Nanodrähte mit den unterschiedlichsten Eigenschaften herstellen. Das Besondere und Unerwartete am neuen Verfahren: Bei genauer Kontrolle von Substrattemperatur, Molekülfluss und Substratvorbehandlung zeigen die organischen Nanodrähte über ihre gesamte Länge einen bislang unerreichten perfekten monokristallinen Aufbau.

Das neue Verfahren liefert so nicht nur Nanodrähte für die beabsichtigten Gassensoren, sondern auch komplexe «Nanodraht-Schaltkreise» für (opto-)elektronische Anwendungen wie Solarzellen, Transistoren und Dioden ermöglicht.


COMPAMED.de; Quelle: Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research (EMPA)