Geschichtete und Zweidimensionale Übergangsmetalldichalkogenid-Bauelemente für Flexible Elektronik und Energiegewinnung

• Antragsteller: Professor Dr. Alwin Stefan Daus
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506140715

Zweidimensionale und geschichtete Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) sind vielversprechend für flexible Elektronik. Sie können ihr Potenzial aber erst entfalten, wenn Bauelementverhalten und großflächiges Wachstum verbessert wurden. Ich fokussiere mich hier auf Wolframdiselenid (WSe2) und Molybdändiselenid (MoSe2), die deutliche Vorteile für Transistoren und Solarzellen haben. Sie können als n-Typ- und p-Typ Halbleiter verwendet werden und ermöglichen so die in der flexiblen Elektronik benötigte CMOS-Elektronik (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Für Solarzellen bieten WSe2 und MoSe2 ideale Bandlücken für Sonnenlichtnutzung und hohe Absorptionskoeffizienten, die ein extrem geringes Gewicht ermöglichen.An der RWTH Aachen möchte ich skalierbares Wachstum von WSe2 und MoSe2 entwickeln. Hier habe ich Zugang zu neuen, hochmodernen Anlagen, die auf TMDs spezialisiert sind, und bekomme starke Unterstützung durch das Aachen Graphene & 2D Materials Center. Ich werde die Selenisierung von metallbasierenden Vorläuferschichten mit Dicken von ~1-100 nm nutzen, passend für Solarzellen und Transistoren. Das Ziel ist eine hohe elektronische Qualität, d.h. eine Ladungsträgerbeweglichkeit ≥20 cm2V-1s-1. Ich werde den Vorläuferfilmen gezielt Metallverunreinigungen zur Dotierung und erhöhten Kristallinität hinzufügen, damit pn-Übergänge bilden und sie mit WSe2-MoSe2-Heteroübergängen vergleichen. Ich werde die Wachstumsgleichmäßigkeit auf 4-Zoll Wafern analysieren.Ich werde Kontaktmetalle und Metalloxidzwischenschichten für Transistoren und Solarzellen intensiv untersuchen. Metalloxidzwischenschichten können die Transistorschalteigenschaften und die Solarzellenladungsträgerextraktion verbessern, was für eine höhere Energieumwandlungseffizienz (PCE) wichtig ist.Ich werde flexible Bauelemente mit einer zuvor entwickelten Transfertechnik herstellen und diese für Niederspannungstransistoren mit Hochfrequenzbetrieb verfeinern. Ich werde kleine CMOS-Schaltkreise herstellen, die Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz analysieren, und mit Statistiken über großflächige Parameterverteilungen die Aussichten für Schaltkreise und Systeme bewerten. Flexible Solarzellen werden mit dem Ziel einer PCE ≥16% realisiert, die durch die Kontaktanpassung, pn-(Hetero)-Übergänge und optisches Design erreicht wird. Mit minimierten Material-/Substratdicken strebe ich eine Rekordleistung pro Gewicht von ≥35 Wg-1 an. Ich werde die Solarzellenfläche auf Quadratzentimeter unter Berücksichtigung von Dünnschichtintegrität, Bauelementausbeute und Designänderungen vergrößern. Mit diesem Projekt soll der Grundstein für eine TMD-Technologie für flexible Elektronik gelegt werden. Ich bin überzeugt, dass zusammen mit zukünftigen TMD-Speichern und -Sensoren der Weg für flexible IoT-Systeme mit TMD-Technologie geebnet werden kann. Darüber hinaus haben TMD-Solarzellen ein großes Potenzial für gewichtssensible Bereiche wie Luft- und Raumfahrt, Elektroautos, Architektur oder Wearables.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen