Connections Kunststoffeinsatz optimiert gedruckte Silberelektroden

Die elektrische Leistungsfähigkeit von druckbaren Silberelektroden verbessert sich, wenn sie zuvor mit organischen Molekülfilmen beschichtet werden, wie Forschende an der Uni Marburg bewiesen haben.

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Der Verbesserungseffekt bei druckbaren Silberelektroden mithilfe der polymeren Beschichtung wirke sich sowohl bei hoch geordneten, kristallinen sowie bei ungeordneten Silberelektroden aus, wie das Forscher-Team um Prof-Dr. Gregor Witte an der Universität Marburg heraus gefunden hat. Die Physiker Felix Widdascheck (Bild), Daniel Bischof und der Professor berichteten darüber übrigens im Fachblatt „Advanced Functional Materials“.

Zukunftsfeld organische Elektronik

„Unsere Ergebnisse ermöglichen es, Silberkontakte auf flexible Polymersubstrate aufzudrucken, ohne die Leistungsfähigkeit durch große Kontaktwiderstände zu den organischen Halbleitern zu stark einzuschränken“, so Witte, der die Forschungsarbeiten leitete. Die organische Elektronik gilt als Technik der Zukunft, denn daraus resultierende elektronische Bauteile lassen sich sehr günstig produzieren. Und weil diese biegsam, also mechanisch flexibel sind, erlauben sie neuartige Anwendungen, wie etwa Etiketten mit elektronischen Schaltungen oder faltbare Displays für Flachbildschirme, neuartige Sensoren, „elektronisches“ Papier und smarte Chipkarten, um nur zwei zu nennen.

Spezielle Metalltinten machen es dabei möglich, Leiter und Kontakte auf die Kunststofffolien zu drucken, bevor darauf dann die organischen Halbleiter appliziert werden. Um eine leitfähige Schicht zu erhalten, müsse der gedruckte Metallkontakt noch erhitzt werden – ohne Beschädigung der Folie, verstehe sich. Nutzt man dazu Silber- statt Goldtinte, verringert sich zwar die erforderliche Temperatur! „Doch Silber hat den Nachteil einer geringen elektrischen Austrittsarbeit, was zu hohen Kontaktwiderständen zu den organischen Halbleitern führt und damit zu hohen Energieverlusten, erklärt Witte. Als Austrittsarbeit bezeichnet man die Energie, die erforderlich ist, um Elektronen aus der Elektrode herauszulösen, macht Witte klar.

Gedruckte Silberkontakte viel einfacher modifizieren

Damit sich die Elektronen nicht mehr so arg abplagen müssen, verwendete das Team sogenannte organische Akzeptor-Moleküle, die sie als extrem dünne Schicht auf die Silberelektroden auftrugen. Als Deckschicht oder „Contact Primer“ wählten die Experten chemische Verbindungen aus der Klasse der fluorierten Cyanoquinodimethane, die sie als Monolage aufbrachten – darunter versteht man eine Schicht, die nur aus einer einzigen Lage geordneter Moleküle besteht. Diese ist etwa ein millionstel Mal so dick wie ein menschliches Haar, merkt Daniel Bischof dazu an. „Die organische Monoschichten führen dazu, dass sich die Austrittsarbeit der Silberelektroden auf durchaus 5,6 Elektronenvolt erhöht“, wie Erstautor Felix Widdascheck präzisiert.

Um die Struktur und Herstellungsbedingungen solch dünner Schichten untersuchen zu können, griffen die Wissenschaftler zunächst auf kristalline Silberelektroden zurück, weil diese auch eine hochauflösende mikroskopische Abbildung der Molekülschichten erlauben. Dabei erlebten sie eine Überraschung! „Wir beobachteten, dass es bei der Beschichtung der Silberkontakte mit den molekularen Deckschichten zu einer spontanen Durchmischung mit dem Silbersubstrat kommt. Es bildet sich dabei eine metall-organische Mischphase, deren Dicke über einhundert Moleküllagen beträgt“, berichtet Widdascheck. Die Mischphase ließe sich nun kontrolliert verdampfen, so dass nur noch eine etwas stärker gebundene Monolage übrigbleibe.

„Mithilfe der detaillierten Herstellungsprotokolle ist es nun möglich, auch gedruckte Silberkontakte so zu modifizieren, dass sich gedruckte organische Elektronik durch das Wissen zur erforderlichen Prozesstemperatur ohne aufwendige Kontrolle der Dicke dieser Deckschicht verwirklichen lässt“, fasst Witte den Erfolg zusammen.

Die Originalveröffentlichung: Engineering of Printable and Air-Stable Silver Electrodes with High Work Function using Contact Primer Layer: From Organometallic Interphases to Sharp Interfaces, Advanced Functional Materials 2021, DOI: 10.1002/adfm.202106687

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