Transparente Elektronik gewinnt an Fahrt

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An transparenter Elektronik wird intensiv geforscht. Sie steht für perfektes Design elektronsicher oder optischer Geräte. Forscher der Universität Basel haben nun mit Hilfe von Computersimulation auf dem Supercomputer «Piz Daint» chemische Elemente identifiziert, die der Forschung in diesem Bereich Schub verleihen könnten.

Transparenter Elektronik gehört die Zukunft. Darin sind sich Forscher einig. So auch José A. Flores-Livas und Miglė Graužinytė von der Forschungsgruppe von Stefan Goedecker, Professor für Computational Physics an der Universität Basel. Doch die entsprechende Technologieentwicklung verläuft schleppend. Grund dafür ist, dass es an bestimmten transparenten Halbleitern mit hoher Leitfähigkeit mangelt.

Fremdatome zur Optimierung

Die elektronischen oder optischen Eigenschaften von Halbleitern lassen sich manipulieren und optimieren, indem geeignete Fremdatome in das Material eingesetzt werden. Diese sogenannte Dotierung durch Fremdatome, beispielsweise in Transistoren, verändert die Ladungsträgerdichte und erhöht somit die Leitfähigkeit.

Geeignete Fremdatome im Periodensystem der Elemente zu identifizieren, bedeutet im Labor jedoch nicht selten jahrelange und kostenintensive Experimentierarbeit. Forscher versuchen diesen Prozess zu beschleunigen, indem sie auf Computersimulationen zurückgreifen. Mit ihnen berechnen sie die vielversprechendsten Kandidaten auf der Basis der physikalischen Gesetze, die die Wechselwirkung zwischen Fremdatom und dem eigentlichen Material des Leiters beschreiben. Potentielle Kandidaten können dann gezielt im Labor getestet werden.

Mangel an speziellen leistungsstarken Leitern

Mit dem Ziel, geeignete Fremdatome zu finden, mit denen die gewünschten transparenten Halbleiter dereinst hergestellt werden können, führten die Wissenschaftler der Universität Basel nun mit Hilfe des Supercomputers “Piz Daint“ solche komplexen Simulationen durch. Bei den transparenten Halbleitern fehlt es vor allem an leistungsstarken Leitern des sogenannten p-Typs (positiv Leiter), bei denen das implantierte Fremdatom ein Elektron zu wenig hat. Sogenannten n-Typ-Leiter (negativ Leiter), sind mit Elementen dotiert, die sozusagen ein Elektron übrig haben.

Laut den Forschern zeigte sich erst kürzlich, dass das umweltfreundliche und häufig vorkommende Zinnmonoxid ein vielversprechendes Material für die Gewinnung transparenter und zugleich leistungsstarker p-Typ Leiter sein könnte. Zudem eigen es sich für das sogenanntes bipolares dotieren. In bipolaren Leitern sind sowohl negative wie positive Ladungsträger vereint. Allerdings habe man bis anhin nur eine Handvoll Elemente untersucht, die sich als Fremdatome eigenen könnten, um den Halbleiter auf der Basis von Zinnmonoxid mit den gewünschten Eigenschaften auszustatten.

Vielversprechende Alkalimetalle

Anhand ihrer Berechnungen wurden die Forscher nun bei den Alkalimetallen fündig. Sie konnten fünf Alkalimetalle (Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium) identifizieren, die dotiert in Zinnmonoxid leistungsstarke und zugleich transparente p-Typ Halbleiter ermöglichen könnten. Darüber hinaus ermittelten die Berechnungen laut den Forschern 13 Elemente, die sich zur Dotierung von n-Typ Ladungsträgern in Zinnmonoxid eignen. «Wenn sich diese Elemente erfolgreich in Zinnmonoxid dotieren und den gewünschten Halbleiter herstellen lassen, öffnet uns das den Weg für viele transparente Technologien», ist José Flores-Livas überzeugt.

Literaturhinweis:

Graužinytė M, Goedecker S, and Flores-Livas JA: Towards bipolar tin monoxide: Revealing unexplored dopants, Phys. Rev. Materials 2, 104604 – October 2018. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.104604