Halbleiter-Nanopartikel für neuartige Transistoren

Smartphones, Computer, Fernseher, Radios, Ladegeräte - Transistoren sind in fast jedem elektrischen Gerät zu finden. Daher gehören diese kleinen elektronischen Halbleiterbauelemente zu den wichtigsten aktiven Komponenten elektronischer Schaltungen. Heutzutage wird erwartet, dass solche elektronischen Bauteile kleiner, flexibler und leistungsfähiger werden, als die Beispiele auf dem Bild. Eine leistungsfähige, flexible Dünnschichttransistortechnologie ist jedoch noch nicht verfügbar.

Vor allem Feldeffekttransistoren (FETs), eine Bauweise von Transistoren, sind attraktiv, weil sie fast ohne Leistungsverlust geschaltet werden können, relativ unempfindlich gegen Überspannungen sind und zudem relativ preiswert. Sie bestehen aus drei Anschlüssen: Source, Gate und Drain. Eine Spannung zwischen der Steuerelektrode (Gate) und der Quell-Elektrode (Source) regelt die Ladungsträgerdichte und damit den Stromfluss zwischen Source und Drain. Die einzelnen Bauelemente können vertikal, also übereinandergestapelt, angeordnet werden. Durch dieses Design kann die Grundfläche von den bereits nm-großen Transistoren weiter reduziert werden, so dass mehr dieser Bauteile auf derselben Fläche untergebracht werden können. Die höhere Transistorzahl ermöglicht komplexere Schaltungen und senkt zusätzlich den Stromverbrauch, so dass energiesparende Geräte möglich werden.

Für diese nanometergroßen Transistoren sind Materialien, sowie Kontrolle der Anordnung auf der Nanometerskala erforderlich. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene funktionelle Nanopartikel erfolgreich hergestellt und im Detail untersucht. Es ist möglich, die physikalischen und elektronischen Eigenschaften von Nanokristallen (NCs) über Parameter wie Größe, Form und Zusammensetzung präzise zu steuern. Insbesondere Halbleiter-Nanokristalle haben das Potenzial, einen Durchbruch in der Transistorleistung zu erzielen, da sie die intrinsische geringe Ladungsträgerbeweglichkeit organischer Halbleiter überwinden.

In diesem Feld ist das Ziel, verschiedene NCs für vertikale Transistoren zu verwenden, um Hochleistungsbauelemente ohne Nanostrukturierung zu realisieren. Daher werden NCs wie AgInS₂ oder ZnTe synthetisiert, um die weithin verbreiteten, aber giftigeren Cd-haltigen Materialien zu ersetzen. Üblicherweise werden für die Synthese von NCs sperrige, isolierende, kohlenwasserstoffhaltige Liganden verwendet, die in einem zusätzlichen thermischen oder chemischen Schritt entfernt werden müssen. Diese postsynthetische Behandlung führt jedoch häufig zur Bildung von Defekten oder die Entfernung funktioniert nicht vollständig. Um die Notwendigkeit eines solchen Schrittes zu vermeiden und die elektronische Kommunikation zu verbessern, ist die Modifikation mit anorganischen Liganden der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Materialien werden dann im Hinblick auf ihre filmbildenden Eigenschaften und elektronischen Parameter charakterisiert, um schließlich vertikale FETs herzustellen.

Literaturempfehlungen:

[1] Fan, X.; Kneppe, D.; Sayevich, V.; Kleemann, H.; Tahn, A.; Leo, K.; Lesnyak, V.; Eychmüller, A. High-Performance Ultra-Short Channel Field-Effect Transistor Using Solution-Processable Colloidal Nanocrystals. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10(14), 4025–4031.
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01649

[2] Sayevich, V.; Guhrenz, C.; Sin, M.; Dzhagan, V. M.; Weiz, A.; Kasemann, D.; Brunner, E.; Ruck, M.; Zahn, D. R. T.; Leo, K.; Gaponik, N.; & Eychmüller, A. Chloride and Indium-Chloride-Complex Inorganic Ligands for Efficient Stabilization of Nanocrystals in Solution and Doping of Nanocrystal Solids. Adv. Func. Mat. 2019, 26(13), 2163–2175.
https://doi.org/10.1002/adfm.201504767

[3] Coropceanu, I.; Janke, E. M.; Portner, J.; Haubold, D.; Nguyen, T. D.; Das, A.; Tanner, C. P. N.; Utterback, J. K.; Teitelbaum, S. W.; Hudson, M. H.; Sarma, N. A.; Hinkle, A. M.; Tassone, C. J.; Eychmüller, A.; Limmer, D. T.; Olvera de la Cruz, M.; Ginsberg, N. S.; Talapin, D. V. Self-assembly of nanocrystals into strongly electronically coupled all-inorganic supercrystals. Science 2022, 375(6587), 1422–1426.
https://doi.org/10.1126/science.abm6753

[4] Samadi Khoshkhoo, M.; Lox, J. F. L.; Koitzsch, A.; Lesny, H.; Joseph, Y.; Lesnyak, V.; Eychmüller, A. Highly Conductive Copper Selenide Nanocrystal Thin Films for Advanced Electronics. ACS Appl. Elec. Mat. 2019, 1(8), 1560–1569.
https://doi.org/10.1021/acsaelm.9b00323