Dotierte Designer-Halbleiter für Neuromorphe Bioelektronik

• Antragsteller: Professor Dr. Pascal Friederich
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Künstliche Intelligenz und Maschinelle Lernverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565912470

Das Projekt NeuroTronics zielt darauf ab, eine neue Art von dotierten organischen gemischt-ionisch-elektronischen Leitern (OMIECs) zu entwickeln, die für die neuromorphe Bioelektronik optimiert sind, eine Technologie, die das Gesundheitswesen, die Informatik und die Robotik verändern und durch bioelektronische Schnittstellen nahtlose Interaktionen zwischen Mensch und Maschine ermöglichen wird. Dotierte OMIEC-Materialien und ihre Bauelemente bieten den einzigen Weg zur nahtlosen biologischen Integration, die für eine Schnittstelle zum Nervensystem erforderlich ist. Es besteht jedoch eine kritische Lücke bei der Entwicklung dotierter OMIECs mit anpassbaren elektronischen Eigenschaften, die stabil sind gegenüber gemischtem ionisch-elektronischem Transport und wiederholten Ionen-Interkalationszyklen. Um diese Herausforderung zu meistern, wird NeuroTronics ein “closed-loop design” Framework entwickeln, das Multiskalen-Simulationen, maschinelles Lernen und KI-gesteuerte Experimente integriert. Im Rahmen des Projekts werden iterativ dotierte OMIECs entworfen, die strenge Anforderungen an Elektronen- und Ionentransport, Stabilität, Herstellbarkeit und Toxizität erfüllen. Dies soll durch drei miteinander verbundene Arbeitspakete erreicht werden. WP1: Design von polaron-optimierten Materialien durch Dotierung zur Anpassung der freien Ladungsträgerpopulation. WP2: Entwicklung präziser dotierter OMIECs mit hoher Stabilität unter ionischer und thermischer Belastung. WP3: Entwicklung von herstellbaren, skalierbaren und ungiftigen dotierten OMIECs für kommerzielle Anwendungen. Zu den wichtigsten Beiträgen des NeuroTronics-Projekts gehören: (1) Weiterentwicklung des theoretischen Rahmens für die Bildung von Polaronen, den gemischten Transport und die Relationen zwischen Prozessierung, Struktur und Eigenschaften, wobei ab initio Simulationen mit experimenteller Validierung kombiniert werden. (2) Erarbeitung grundlegender Designprinzipien für die Dotierung organischer Halbleiter zur Optimierung der elektronischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewährleistung der Langzeitstabilität. (3) Entwicklung eines integrierten Theorie- und KI-gestützten Materialdesignkreislaufs, der den F&E-Zyklus für OMIECs erheblich verkürzt und sich auf die Bayes'sche Optimierung für robuste lokale Optima mittels neuer Akquisitionsfunktionen stützt. Die Akquisitionsfunktion balanciert Zieleigenschaften und deren Reaktion auf Änderungen der Prozessierungs- und Materialparameter. Dieser Fortschritt ist entscheidend für die strengen Anforderungen an die Variabilität von ~10% bei Dünnschichttransistoren. (4) Entwicklung skalierbarer und nachhaltiger Herstellungsmethoden, um die Lücke zwischen Grundlagenforschung und praktischer Anwendung zu schließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Saudi-Arabien, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Aram Amassian; Professor Dr. Ryan Chiechi; Paschalis Gkoupidenis; Professor Dr. Raja Gosh; Professor Martin Seifrid; Professorin Olga Wodo