Organische Bauelemente und Systeme (ODS)
In der ODS-Gruppe arbeiten Physiker, Materialwissenschaftler und Ingenieure gemeinsam an der Entwicklung neuartiger Konzepte für elektronische Bauelemente für leistungsstarke, flexible, biokompatible und sogar biologisch abbaubare Elektronik der Zukunft. Basierend auf grundlegenden Untersuchungen zu den Prinzipien des Ladungsträgertransports in organischen Halbleitern entwickeln und optimieren wir neuartige Bauelementkonzepte wie vertikale Transistoren und integrieren diese in funktionale Schaltungen, z. B. für drahtlose Kommunikationsanwendungen. Darüber hinaus erforschen wir neue Geräteparadigmen und entwickeln neuronale Netze für künstliche Intelligenz auf der Grundlage organischer elektrochemischer Transistoren. Vor kurzem haben wir auch das neue Gebiet der „Leaftronics“ erschlossen, das nachhaltige, abbaubare Leiterplatten, Batterien, Dünnschichtgeräte usw. möglich gemacht hat.
Dünnfilm-Transistor für 4-Punkt-Messungen
Ladungsträgertransport in organischen Halbleitern: In der klassischen siliziumbasierten Elektronik sind die kontrollierte Dotierung und die Manipulation von Energieniveaus gut verstanden und in der Produktion etabliert. Um diese Technologien auf organische Halbleiter übertragen zu können, untersuchten wir die molekulare Dotierung und die Modifikation von Bandlücken und erforschten die physikalischen Grundlagen dieser Effekte. Derzeit gilt unser Augenmerk der Nutzung dieser Erkenntnisse zur Konstruktion energieeffizienterer optoelektronischer Bauelemente.
Vertikale organische Trioden auf flexiblem PEN-Substrat.
Vertikale organische Transistoren: In herkömmlichen horizontalen organischen Dünnfilmtransistoren ist der Ladungsträgertransport zu niedrig, um Transistoren für Hauptanwendungen mit hoher elektronischer Leistung, wie Display-Ansteuerung oder drahtlose Kommunikation herzustellen.
integrierter vertikaler organischer Dünnfilmtransistor in einer Konfiguration für Hochfrequenzmessungen.
In der ODS-Gruppe entwickelten wir neueartige vertikale Dünnfilm-Transistoren and Dünnfilm-Trioden die auf Grund ihrer vertikalen Architektur mit bis zu 100 MHz operieren können. Damit übertreffen sie andere organische Transistoren deutlich und können sogar mit anorganischen Bauelementen konkurrieren. Die revolutionäre Bauteilstruktur ermöglicht völlig neue Anwendungen, wie z.B. Einzelbauteile mit integrierten logischen Funktionen durch eine doppelte Gate-Elektrode.
Flexible und biokompatible Drucksensoren zur Messung des Innenohrdrucks.
Biokompatible Drucksensoren: In Zusammenarbeit mit dem ERCD (UKD) entwickeln wir biokompatible Drucksensoren zur Messung des Mittelohrdruckes auf direktem Wege. Bisher ist eine solche Messung entweder nur indirekt möglich oder mit zusätzlichen Operationen verbunden, welche mit dem neuen Verfahren in Zukunft vermieden werden können. Die Verwendung eines elastischen Polymers erlaubt die kapazitive Druckmessung im Bereich von +/- 70 mbar. Dabei integrieren wir winzige Spulen in unseren Bauelementen, um eine drahtlose Kommunikation mittels RFID zu ermöglichen.
Elektrochemische Transistoren für neuronale Netze: Organische elektrochemische Transistoren (OECTs) werden dank ihrer Biokompatibilität und Operation in elektrolytischer Umgebung als Next-Generation-Bioelektronik gehandelt. OECTs wurden bereits für künstliche Synapsen, Biosensoren und als steuerbare Systeme zur Medikamentenfreisetzung verwendet. In unserer Gruppe gehen wir einen Schritt weiter. Wir wachsen dendritische Netzwerke aus OECTs und benutzen diese für maschinelles Lernen. Damit wollen wir implantierbare und biocompatible Computerplattformen schaffen, die die Zusammensetzung von Körperflüssigkeiten in Echtzeit untersuchen und prozessieren kann. Die zufällige Anordnung von Halbleiterfasern können mittels "reservoir computing", einem Ansatz des maschinellen Lernens, zukünftig künstliche Intelligenz (KI) Aufgaben on-chip übernehmen. Das könnte ein potentieller Durchbruch in Medizin und im Gesundheitssystem darstellen.
A network of organic semiconductor material grown via electropolymerisation. The network resembles the structure of a neurons as shown on the left.
Leaftronics: Leaftronics ist ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, das von der ODS-Gruppe an der TU Dresden ins Leben gerufen wurde und in dem dezellularisierte Blätter in nachhaltige, vollständig abbaubare Elektronik umgewandelt werden. Die natürlichen, quasi-fraktalen Adernetze in Blättern werden zu Lignocellulose-Gerüsten, die, wenn sie mit leitfähigen Tinten oder biobasierten Polymeren funktionalisiert werden, zu transparenten, flexiblen Elektroden bzw. Leiterplatten/Substraten führen. Dieser biomimetische Durchbruch wird genutzt, um die weltweit jährlich anfallenden über 60 Millionen Tonnen Elektroschrott direkt anzugehen, und eröffnet spannende Forschungsfelder: biologisch abbaubare Leiterplatten mit verlustarmer Signalübertragung, antimikrobielle Blattmembranen zur Wasserreinigung, CO2-Abscheidungssysteme auf Lignocellulosebasis und temporäre Batterien, die mit natürlichen Elektrolyten betrieben werden. Jeder dieser Bereiche erfordert rigorose Experimente in den Bereichen Materialchemie, Nano-/Mikrofabrikation und Nachhaltigkeitswissenschaft.
Die Bedeutung dieses Forschungsgebiets wird durch den renommierten Joachim-Herz-Preis 2025 (einer der höchstdotierten Wissenschaftspreise in Deutschland) unterstrichen, der der ODS-Gruppe für ihre Pionierarbeit auf diesem Gebiet verliehen wurde. Für Studierende mit soliden naturwissenschaftlichen Grundlagen bietet Leaftronics die seltene Chance, Biologie, Physik und Ingenieurwesen zu verbinden, um die wirklich grüne Elektronik von morgen zu entwickeln.
Rubrenekristalle: Wir untersuchen die elektronischen Transporteigenschaften von hochkristallinen organischen Halbleitern für die Anwendung in neuartigen funktionellen Bauteilen. Unsere Arbeit konzentriert sich auf das Wachstum, Dotieren und Prozessieren von Dünnschicht-Kristallen. Dabei benutzen wir Technologien, welche auch für industrielle Anwendungen relevant sein werden. Wir interessieren uns für die Physik von neuen Bauteil-Konzepten auf Basis dieser organischen Dünnschicht-Kristalle.
Wir sind immer auf der Suche nach motivierten Studierenden (Bachelor und Master), Promotionsstudent*innen und Postdocs. Bei Interesse kontaktieren Sie bitte Hans Kleemann.
Kontakt:
© Kai Schmidt/IAP
Dr. Hans Kleemann
Arbeitsgruppe ODS (Organic Devices and Structures)
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