Gruppenfoto_Gruppe-Benson2021

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe:

Prof. Dr.-Ing. Niels Benson
Dr. Masoud Sakaki
M.Sc. Kai-Daniel Jenkel
M.Sc. Laura Kühnel
M.Sc. Fabian Langer
M.Sc. Julian Neises
M.Sc. Damian Pandel
M.Sc. Christian Roters
M.Sc. Kristina Winkler

Die Arbeitsgruppe „Druckbare Materialien für Signalverarbeitende Systeme“ ist auf „low-cost“ Elektronikanwendungen ausgerichtet, um den Aspekt der Druckbarkeit für signalverarbeitende Systeme anwendbar zu machen. Solche Systeme sind vor allem für Industrie 4.0 Anwendungen, sowie für das Internet der Dinge von Interesse. Hierbei konzentriert sich die Forschung der Arbeitsgruppe Benson auf einen ganzheitlichen Ansatz, der vom elementaren Verständnis des Ladungstransports bis hin zur Anwendung reicht. Hierbei berücksichtigt die Arbeitsgruppe mit Hinblick auf die Anwendung nicht nur Verbraucher im System, sondern auch Komponenten, die für die Gewinnung und die Speicherung von elektrischer Energie notwendig sind. Hieraus ergeben sich gegenwärtig die folgenden Arbeitsgebiete:

Neue Materialien für signalverarbeitende Systeme

Nanopartikel für druckbare Elektronikanwendungen

Dispergiert in organischen Dispergiermitteln lassen sich Si Nanopartikel mit gängigen Methoden verdrucken, wie beispielsweise dem InkJet-Verfahren. Mittels einer anschließenden Laserbehandlung kann der Nanopartikeldünnfilm dann mit Hinblick auf elektronische Funktionalität optimieren werden, und erlaubt so die Implementierung von gedruckten Elektronikanwendungen. Ein Beispiel hierfür sind gedruckte Funketiketten. Die Motivation für diese Arbeit ist die Kombination von Vorteilen, die typischerweise mit organischen und metalloxidischen Halbleitern assoziiert werden, mit den Vorteilen eines klassischen Halbleitersystems. So soll eine Technologie zu entwickelt werden, die nicht nur druckbar und mechanisch flexibel ist (organische und metalloxidische Systeme), sondern auch die Performanz und Haltbarkeit eines klassischen Halbleitersystems (z.B. Si) aufweist.

Additiv gefertigte Keramik für mm und sub-mm Wellenanwendungen

Die additive Keramikfertigung hat im mm und sub-mm Wellenlängenbereich durch die digitale Freiheit des 3D Drucks ein enormes Potential für signalverarbeitende Systeme. Dieses bezieht sich vor allem auf die monolithische 3D Multikomponentenintegration ohne den negativen Einfluss von Assemblierungsproblemen oder Intermodulationsprodukten. Gegenwärtig konzentrieren sich die Arbeiten der Arbeitsgruppe Benson auf die Strukturminimierung im Sub-200µm Bereich, auf die frequenzabhängige Materialevaluation, sowie auf das Realisieren von ersten Anwendungen.

Video: Additive Manufacturing (AM) for signal processing applications

Energiespeicher

Die Arbeiten in diesem Themenbereich werden in enger Kooperation mit unterschiedlichen Industriepartnern durchgeführt, und konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Entwicklung von Anodenstrukturen für Batterieanwendungen. Die hauptsächliche Motivation hierbei ist es, die speicherbare Kapazität, die Schnellladefähigkeit und die Sicherheit von Batterien für IOT Anwendungen zu verbessern.
Hierzu werden unterschiedliche Anodenkonzepte auf Basis von Si Nanopartikelstrukturen untersucht. Der Fokus der Arbeitsgruppe Benson liegt auf dem Generieren der Anoden µ-Struktur, dem Beschreiben der Dünnfilmformation mittels einer Fluidik Finite Elemente Simulation und deren Test in geeigneten Halbzellen.

Energiegewinnung

Die Arbeiten zur Energiegewinnung runden den ganzheitlichen Ansatz der Arbeitsgruppe für IOT Anwendungen vom Verbraucher, über Energiespeicher bis hin zur Energiegewinnung ab. Für die Energiegewinnung wird an Perowskitsolarzellen gearbeitet, die das Potential haben, nicht nur druckbar zu sein, sondern auch als Dünnfilmbauteile beachtliche Konversions-effizienzwerte von >23% für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie liefern zu können. Hier hat die Arbeitsgruppe Benson mit dem Referenzsystem Methlyammonium BleiIodid (MAPI) Effizienzwerte von > 19% und somit einen guten Stand in der Dünnfilm-solarzellentechnologie erreicht. Aktuell konzentrieren sich die Arbeiten der Gruppe deshalb darauf, die bisher häufig ausschließlich theoretisch postulierte vorteilhafte Fallenphysik in unterschiedlichen Perowskitdünnfilmen experimentell zu untersuchen.

Neue Methoden für die Evaluation des Ladungstransports

Die Ladungstransporteigenschaften eines Materialsystems entscheiden wesentlich über dessen Anwendungseignung, so dass Arbeiten zu diesem Thema ein wichtiger Bestandteil der Arbeitsgruppe Benson sind. In diesem Rahmen wurden aktuell die folgenden zwei quantitative Methoden neu eingeführt / verbessert:

Metall-Insulator-Semiconductor Thermally Stimulated Current (MIS-TSC):

Klassische TSC Experimente verwenden Diodenstrukturen für die Evaluation einer Fallenzustandsdichteverteilung. Diese Wahl hat den Nachteil, dass Leckströme und ambipolare Injektion (bedingt durch lange Messzeiten von bis zu einer Woche) die Messung entweder durch Artefakte in der Stromsignatur oder durch Rekombination negativ beeinflussen. Auch werden für die quasi-unipolare Evaluation von komplementären Ladungsträgern stark unterschiedliche Bauteile benötigt, was die Interpretation wesentlich beeinflussen kann. Deshalb wurde durch die Arbeitsgruppe Benson eine MIS-Struktur eingeführt, die Evaluation von Fallenzuständen für komplementäre Ladungsträger an ein und demselben Bauteil erlaubt. Hierbei wird die Ladungsträgerart im Bauteil durch die Polarität der angelegten Spannung definiert, und durch spezielle Maßnahmen sichergestellt, dass Fallenzustände im Volumen des Dünnfilms untersucht werden können.

Transient Space Charge Limited Current (Transient-SCLC):

Die Evaluation der Ladungsträgerbeweglichkeit durch die Steady State SCLC Approximation ist eine weit verbreitet Methode, die oft durch die „nicht Idealität“ eines Bauteils negativ beeinflusst wird. Ergänzt durch transiente SCLC Messungen am gleichen Bauteil, kann das Ergebnis der Steady State Untersuchung selbst konsistent verifiziert oder ergänzt werden. Hierzu wurde eine Schaltung entworfen, die durch extrem kurze RC Zeiten und eine unterdrückte Schaltungsoszillation Ladungsträgertransitzeiten durch das Bauteil im Bereich von 300ns möglich macht. Für dicke Bauteile im Bereich von 1µm ist damit somit sogar die Evaluation von Ladungsträgerbeweglichkeiten im Bereich von 1cm2/Vs möglich.

Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe