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Flexible Elektronik: Wissenschaftler*innen erreichen Meilenstein

Unter der Leitung von Dr. Daniel Neumaier, Professor für Personalisierte mobile Sensorsysteme, forschen Wissenschaftler*innen der Bergischen Universität Wuppertal derzeit gemeinsam mit internationalen Kolleg*innen an einem Ansatz für flexible und leistungsfähigere Elektronik. Auf seinem Weg hat das Team jetzt einen wichtigen Meilenstein erreicht: die erstmalige Realisierung eines komplexen, elektronischen Bauelements auf Basis eines zweidimensionalen Materials. Das Ergebnis erschien nun im Fachjournal Nature Electronics.

Mikroskopaufnahme: 64 Operationsverstärker (li.) und ein Zoom in einen Operationsverstärker mit zwölf Transistoren aus dem 2D-Material Molybdändisulfit (re.).
Foto Thomas Mueller (TU Wien)

Ob faltbare Elektronik, aufrollbare Displays, Elektronik, die in Textilien integriert ist, oder smarte Pflaster – sie alle sind zukünftige Anwendungen aus dem Feld der flexiblen Elektronik. Die in ihnen verbauten Transistoren zur Steuerung der elektrischen Spannungen und Ströme müssen zum einen entsprechend klein und zum anderen aus einem elastischen Material sein. „In den vergangenen Jahrzehnten war die Verkleinerung der Transistoren die treibende Kraft bei der Erhöhung der Leistungsfähigkeit in der Mikroelektronik. Mittlerweile erreicht man Größen, wenige 10 Nanometer, bei denen die Dicke von Silizium, das bisher als Material verwendet wurde, ein großes Problem darstellt. Dünne Siliziumschichten lassen sich zwar herstellen, ihre elektrischen Eigenschaften sind dann jedoch sehr schlecht“, erklärt Prof. Neumaier.

Zur Lösung des Problems ist der zweidimensionale Halbleiter MoS2, Molybdändisulfit, bereits länger in den Fokus der Forschung gerückt. „Derartige 2D-Materialien sind von Haus aus sehr dünn, wir sagen ultimativ dünn, und können daher für kleinste Transistoren verwendet werden, was wiederum leistungsfähigere Elektronik ermöglicht“, so Neumaier. Seine gute Biegsamkeit und mechanische Flexibilität konnte MoS2 bisher allerdings nur für einzelne Bauelemente demonstrieren. Bis jetzt: Nun gelang es den Wissenschaftler*innen erstmals einen Operationsverstärker auf Basis des zweidimensionalen Materials zu realisieren – eine komplexe und zugleich eine der wichtigsten Schaltungen für die analoge Elektronik.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der TU Wien, der Universität Pisa, der Bergischen Universität Wuppertal und der AMO GmbH. Der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers sei zwar noch nicht so hoch wie bei kommerziellen Siliziumbauteilen, heißt es von Seiten der Wissenschaftler*innen, Wettbewerbsniveau trauen sie der Technologie aber allemal zu. Zudem ist der Operationsverstärker auch ein Meilenstein für das Horizon-2020-Projekt ORIGENAL, das Prof. Neumaier koordiniert: „Diese Arbeit zeigt, dass MoS2 das beste verfügbare Material ist, um komplexe und hochmoderne Schaltungen mit einer Dünnfilm-Transistortechnologie wie sie für flexible Elektronik benötigt und in unserem Projekt angestrebt wird, zu realisieren.“

https://doi.org/10.1038/s41928-020-0460-6

Kontakt:
Prof. Dr. Daniel Neumaier
Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik
E-Mail dneumaier{at}uni-wuppertal.de