Digitale Fotografie 08.03.2013, 22:00 Uhr

Organische Sensoren „schärfen“ die Kamera

Das noch junge Forschungsgebiet „Organische Elektronik“ konzentriert sich darauf, elektronische Schaltungen oder Bauelemente aus leitfähigen Kunststoffen zu entwickeln. Dabei werden Polymere auf Siliziumchips aufgebracht. Die chemische Zusammensetzung der Kunststoffschicht lässt sich zudem gezielt verändern, um auch unsichtbare Bereiche des Lichtspektrums abzudecken.

Üblicherweise basieren die Sensoren von digitalen Foto- oder Videokameras auf Cmos-Chips (complementary metal oxide semiconductor). Der Chip integriert nicht nur die Fotodiode zur Lichtmessung, sondern auch Funktionen wie die Korrektur der Kontraste oder die Analog-Digital-Wandlung. Zwar wird das Spannungssignal jedes einzelnen Bildpunktes ausgelesen, doch kann nicht die gesamte Chipoberfläche ausgenutzt werden, da sich der lichtempfindliche Detektor die Fläche mit der restlichen Elektronik teilen muss. Dadurch ist die Lichtempfindlichkeit stark eingeschränkt. Kompensiert wird dies üblicherweise mit einer Mikrolinse, welche das einfallende Licht auf den Fotodetektor fokussiert.

Gesamte Chipoberfläche wird lichtempfindlich

Künftig könnten diese teuren Linsen überflüssig werden: Die Physikerin Daniela Baierl und Paolo Lugli, Leiter des Lehrstuhls für Nanoelektronik an der TU München, haben eine Methode entwickelt, mit der leitfähige Polymere auf den Cmos-Sensor aufgesprüht werden. „Dadurch ist die gesamte Chipoberfläche zu 100 % lichtempfindlich“, berichtet Lugli. Diese fotoaktive Schicht ist etwa 500 nm (Millionstel Millimeter) dünn. Zum Vergleich: Um die Dicke eines menschlichen Haares zu erreichen, müsste man diese Schicht 100 Mal übereinanderlegen.

Wie Laborexperimente gezeigt haben, liegt die Bildrate des Plastiksensors bei rund 10 kHz bis 15 kHz. „Das ist ausreichend für Bildbearbeitungsanwendungen“, meint Lugli. Die Bildrate ließe sich durch Optimierung des Materials steigern, sodass organische Fotodetektoren zu Kandidaten für bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik werden könnten. Aufgrund der höheren Lichtempfindlichkeit ließe sich die Strahlendosis, etwa bei Röntgenaufnahmen, zum besseren Schutz der Patienten weiter senken.

Die leitfähigen Kunststoffe, die die Münchner Nanoelektroniker verwendeten, heißen PCBM und P3HT und lagen im Mischungsverhältnis 1:1 vor. Zuerst musste geklärt werden, welches Druckverfahren am besten zum Auftragen der wässrigen Polymerlösung geeignet ist: die Sprüh- (Spray-Coating) oder die Rotationsbeschichtung (Spin-Coating). Schnell zeigte sich, dass Letzteres nicht in Frage kommt, da die Chipoberfläche zu rau ist und sich die organische Lösung nicht als gleichmäßiger Film verteilen lässt. Das Spray-Coating ist sowohl für starre als auch für biegsame Unterlagen wie Folien oder Papier geeignet.

Nachdem ihnen mit diesem Verfahren die Herstellung einzelner organischer Detektoren auf Glassubstrat gelungen war, konnten die Forscher im zweiten Schritt zeigen, dass die Integration von Silizium und Polymer funktioniert. Sie nutzten dabei das Cmos-Design ihrer italienischen Kollegen von der Universität Trento, welche die Schichtenanordnung des Chips zur besseren Handhabung invertiert haben. Die Vorteile des Druckens liegen auf der Hand: Die Methode funktioniert unabhängig vom Substrat, ist gut geeignet für große Flächen, und sie ist preiswerter. Damit eignet sie sich für Massenware wie RFID-Tags, biegsame organische Solarzellen, organische Leuchtdioden in Displays oder organische Sensoren.

Polymere sind einfach zu handhaben

Die Polymere sind einfach zu handhaben und fast unbegrenzt verfügbar – theoretisch: „Polymere sind aber sehr teuer, weil sie nur für Forschungsanwendungen hergestellt werden“, erläutert Lugli. So kostet derzeit 1 g der von seinem Lehrstuhl eingesetzten Kunststoffe rund 1000 €. Der Nanoelektroniker hofft, dass die Kollegen aus der Chemie sich intensiver mit den Kunststoffen befassen werden. Denn die Eigenschaften des organischen Films lassen sich modifizieren, je nachdem welche Funktion gewünscht wird. So detektiert der neuartige Bildsensor Licht im sichtbaren Bereich. Durch Zusatz eines weiteren Polymers ließe sich das Absorptionsspektrum in den Infrarotbereich verschieben. Dadurch eröffnen sich neue Anwendungen, etwa für Wärmebildkameras oder Fahrerassistenzsysteme für die Nachtsicht.

Potenzial haben organische Sensoren auch als RFID-Tags zur Warenidentifikation oder als Biosensoren, die den pH-Wert messen oder Proteine in Blut oder Speichel detektieren. Sie könnten auch als „elektronische Nasen“ fungieren: beispielsweise integriert in Verpackungen, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln anzeigen. Lugli möchte dabei die Tatsache ausnutzen, dass die Plastiksensoren auf Umwelteinflüsse mit Widerstandsänderungen reagieren. Das würde beispielsweise dann passieren, wenn die Lebensmittel verderben und Gase wie CO2 oder Ammonium absondern. Das Signal ließe sich drahtlos per Funk auslesen.

Voraussetzung dafür wäre eine unsichtbare Antenne aus Kohlenstoffnanoröhrchen, die im Sensor eingebaut wird. Sie lässt sich ebenfalls im Druckverfahren herstellen, bei dem die Nanotubes, deren Wände nur 1 nm dick sind, einfach aufgesprüht werden. Zunächst gilt es jedoch weiter zu forschen: Zum einen sind organische Sensoren nicht besonders selektiv, sie müssten auf den Nachweis einzelner Substanzen optimiert werden. Zum anderen müssen die Wissenschaftler nachweisen, dass die Nanoelemente nicht die menschliche Gesundheit gefährden.

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