Grundlegende Untersuchungen zur Anwendung organischer Feldeffekttransistoren und organischer Solarzellen als Transducer in der polymerbasierten Chemo- und Photosensorik polymersens

Polymerbasierte Sensorik steht aufgrund ihres ungeheuren Potentials, den Lebensstandard der Menschen vielfältig erhöhen zu können, sehr im derzeitigen Fokus der Wissenschaft. Die grundlegenden Untersuchungen des Projektes sollten dazu dienen, wissenschaftliches Basis-Know-how zur polymerbasierten Sensorik anhand der Transducer „Polymersolarzelle“ (PSC) und „Organischer Feldeffekttransistor“ (OFET) zu generieren und so die Innovationskompetenz und die Wettbewerbs­fähigkeit des TITK e.V. zu stärken sowie durch die Erprobung neuer Materialien, Auftragetechniken und Strukturierungen die polymerbasierte Sensorik im Verständnis und ihrer Entwicklung weiter voranzubringen.

Im Rahmen der Forschungsarbeit zur Thematik „OFET“ sind mehrere Möglichkeiten der Mikrostrukturierung, die der Herstellung der OFET-Kammstruktur dient, untersucht und erprobt worden. Dabei ließen sich sowohl über Laserablation als auch über Inkjet-Druckverfahren, zu deren Zweck eigens im Projekt ein Materials Printer DMP-2831 (Fa. Dimatix) angeschafft wurde, Auflösungen von bis zu 10 µm als unterstes Limit erreichen. Als stabiler und reproduzierbarer erwiesen sich allerdings Transistoren mit Kanalweiten von 20 µm (gelasert) bzw. 50 µm (Inkjet), s. Abb.1 /Abb.2.  Erste funktionsfähige OFET auf PET-Folien konnten inklusive der leitfähigen organischen Source-/Drain-Elektroden und organischen Isolatoren komplettiert werden und somit die Machbarkeit zeigen. Dass sich derartige Aufbauten zum Nachweis von Analyten als Transducer in OFET-Sensoren eignen, konnte an OFET auf starren Siliziumsubstraten mit on/off-Raten von über 1000 mit Licht als ersten und einfachsten Analyten nachgewiesen werden.

Um PSC als Transducer in der Sensorik zu erproben, wurden im Projekt zwei Konzepte verfolgt. Im ersten konnte das unter Verwendung des bewährten Standardsystems P3HT/PCBM mit Hilfe optischer Filtern ein Sensoreffekt zur Farberkennung von eingestrahltem Licht erreicht werden.

Im zweiten Konzept sollte auf optische Filter verzichtet werden, sodass verschiedenfarbige Photoabsorber in der photoaktiven Schicht der PSC erprobt wurden. Dazu fanden einerseits umfangreiche synthetische Arbeiten statt, die zu neuen konjugierten variabel-bandgap-Polymeren führten. Andererseits konnte sehr erfolgreich unterschiedliche Farbigkeit über Sensibilisierung mittels niedermolekularer organischer Farbstoffe in nahezu farblosen wide-gap Polymeren (als Matrix) induziert werden. Die Effizienzen in der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom konnten teilweise verdreifacht werden. Sowohl die aufgrund ihrer chemischen Natur farbigen Polymere als auch die durch Beimischung von Sensibilisatoren erst farbig gewordenen Komposite, eingebettet als Licht absorbierende Schicht in PSC, eigenen sich  zur Anwendung als Transducer in optischen Sensoren.

Dem im Vor­feld angestrebten und im Projekt erreichten prinzipiellen Machbarkeitsnachweis wird in weiterführenden Pro­jek­ten die Optimierung des Sensorkonzeptes folgen. Durch das Vorlaufforschungsprojekt konnten gezielt und mannigfaltig Know-how und Kompetenzen aufgebaut sowie Applikationsspektren insbesondere für Beschichtungen, Mikrostrukturierungen und Polymersynthese erweitert werden, was eine Stärkung der Wissensbasis, der Innovationskraft und der Wettbewerbsfähigkeit des TITK e.V. bedeutet.