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GRK 1161:  Disperse Systems for Electronic Applications

Subject Area Process Engineering, Technical Chemistry
Electrical Engineering and Information Technology
Materials Engineering
Term from 2005 to 2014
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 806681
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Die übergeordnete Zielsetzung des Graduiertenkollegs bestand in der Etablierung und Erprobung von Prozessketten von der Synthese der Bausteine bis hin zu Bauelementen für die druckbare Elektronik. Im Zentrum der druckbaren Elektronik steht die Entwicklung von funktionalen Halbleiter- Nanopartikel-Dispersionen, die als Pasten, Schlickern, Tinten oder in Hybridmaterialien mit leitfähigen Polymeren gemischt die kostengünstige Produktion von gedruckten elektronischen Bauelementen ermöglichen. Diese Zielsetzung wurde in einem interdisziplinären Verbund und Kooperation mit dem Industriepartner EVONIK erreicht. Dafür wurde eine Wertschöpfungskette etabliert, entlang der eine effizient verzahnte Organisationsstruktur für die Teilprojekte geschaffen wurde. Das Fundament der Organisationsstruktur bildete die erfolgreiche interdisziplinäre Ausbildung der Kollegiaten in den Nanomaterialwissenschaften und der Nanoelektronik. Die dafür erforderlichen natur- und technikwissenschaftlichen Grundlagen wurden in verpflichtenden Lehrveranstaltungen vermittelt. Die Kollegiaten entwickelten sich durch ihre tägliche Forschungsarbeit in den Laboratorien des Graduiertenkollegs zu Experten für die Herstellung und Prozessierung von nanopartikulären Materialien und erhielten gleichzeitig Einblick in moderne spektroskopische, mikroskopische und elektronische Messtechniken. Die Kollegiaten wurden von jeweils 2 Hochschullehrern aus unterschiedlichen Fachrichtungen und von einem Wissenschaftler der EVONIK betreut. In der ersten Förderperiode standen die Charakterisierung und Prozessierung von Halbleiternanopartikel, die von der EVONIK nach den Vorgaben des Graduiertenkollegs hergestellt wurden, im Vordergrund. Darauf aufbauend wurde der Fokus in der zweiten Förderperiode auf die Entstehung, Analyse und Steuerung von Defektstrukturen während der Nanopartikelsynthese und der Schichtbildung gesetzt. Außerdem wurde die Palette der bisher eingesetzten Halbleitermaterialien Si, ZnO und ITO durch Indium- Zink-Oxid (IZO)-, In2O3-, TiO2- und SnO2-Nanopartikel erweitert. Die Halbleiter-Nanopartikel wurden in verschiedenen Teilprojekten entweder über chemische Gasphasensynthese, durch Flammenspraypyrolyse oder nass-chemisch hergestellt. Die erfolgreiche Charakterisierung der Defektstrukturen führte zu optimierten Reaktions- und Prozessierungsparametern sowie zu neuen Erkenntnissen über die Prozesse der Riss- und Porenbildung in unterschiedlichen nanopartikulären Filmen. Diese experimentellen Ergebnisse wurden durch Modellrechnungen der Schicht- und Rissbildung ergänzt. Die optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit von ITO- und ZnO-Nanopartikel-basierten dünnen Filmen wurden durch Oberflächenbehandlungen wie Tempern in unterschiedlichen Atmosphären und Lasersintern optimiert. Die Entwicklung und Anpassung moderner Drucktechniken wie das Profilrakeln und der Inkjet-Druck von ITO- und ZnO-Tinten erlaubten nicht nur die Herstellung von optisch transparenten ITO-Elektroden sondern auch die Realisierung von leistungsfähigen ZnO- Dünnfilmtransistoren. Dünnfilmtransistoren mit einem wettbewerbsfähigen Ion/Ioff-Verhältnis von 10^6 und einer Ladungsträgerbeweglichkeit von bis zu 23 cm^2/Vs wurden hergestellt, Langzeitstabilität wurde durch Verkapselung des nanopartikulären ZnO-Films mit Al2O3 erreicht. Alternative Dünnfilmtransistor-Konzepte wurden mit verschiedenen Ionogel-basierenden Gate-Dielektrika erhalten. In struktureller Hinsicht war dieses Graduiertenkolleg wegweisend: Es war die erste koordinierte Zusammenarbeit zwischen den Materialwissenschaften und der Verfahrenstechnik, beteiligte Gruppen wurden umfassend in die Partikeltechnik eingeführt, das Arbeiten in Prozessketten wurde hier erstmals erprobt und im Erlanger Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) später deutlich ausgebaut und perfektioniert. Damit war dieses GRK ein Nukleus für den Cluster, in dessen Kern die Kooperation der Material- mit den Prozesswissenschaften im Konzert mit den Naturwissenschaften steht. Hieraus entstand schließlich der universitäre Forschungsschwerpunkt Materialien und Prozesse. Zwei Forschungsneubauten für Funktionale Partikelsysteme und für nanostrukturierte dünne Filme wurden 2008 und 2014 vom Wissenschaftsrat genehmigt. Zusammenfassend war das Graduiertenkolleg damit ein wichtiger Impulsgeber für die sehr positiven Entwicklungen an der Universität Erlangen-Nürnberg.

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