Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kowalsky

Gottfried Wilhelm-Leibniz-Preisträger 2002

Forschungsschwerpunkte

1. Organische Elektrolumineszenzdisplays

Für die Visualisierung stehen der modernen elektronischen Informationstechnik vorrangig zwei Displaytechnologien zur Verfügung: Für emissive, also Licht erzeugende Displays wird bereits seit den Anfängen der Elektronik die voluminöse Kathodenstrahlröhre (CRT) eingesetzt. Als zweite Technologie, die inzwischen etwa das gleiche Marktvolumen erreicht hat, konnten Flüssigkristall-Anzeigen (LCDs) etabliert werden. Da Flüssigkristall-Zellen aber kein Licht erzeugen, sondern nur Licht schalten, bedürfen sie einer flächigen Hinterleuchtung. Der resultierende komplexe Aufbau erzielt eine nur geringe Gesamteffizienz und gewährt nur eingeschränkte Betrachtungsverhältnisse.

Dieser Mangel an einer Technologie für flache, Licht emittierende Displays kann durch die organische Elektrolumineszenz aufgehoben werden. Die Strominjektion in eine Mehrlagenstruktur aus organischen Halbleitern ermöglicht eine effiziente Lichterzeugung. Die Präparation dieser Strukturen ist allerdings aufgrund der geringen Schichtdicken von nur wenigen 10 nm, aufgrund der erforderlichen Homogenität und aufgrund der Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff äußerst kritisch.

Seit nunmehr zehn Jahren liegt der Hauptforschungsschwerpunkt auf diesem Themenkomplex. Die Arbeitsgruppe konnte durch intensive Forschungsarbeit auch im internationalen Vergleich nicht nur führende Leistungsmerkmale (Effizienz, Leuchtdichte, Betriebsspannung) einzelner organischer Leuchtdioden (oLEDs) erzielen, sondern sie konnte maßgeblich zur Verbesserung der Lebensdauer beitragen. Eine umfangreiche Förderung durch zahlreiche Drittmittelprojekte (DFG, VW-Stiftung, BMBF, EU und Industriekooperationen) ermöglichte den Aufbau einer national einmaligen Forschungslinie, die nicht nur die Präparation von Einzeldioden, sondern die auch die Realisierung komplexer Displays ermöglicht.

Die derzeit etablierten oLED-Strukturen erfordern wegen eines metallischen Deckkontaktes zur Lichtauskopplung ein Glas- oder Kunststoffsubstrat. In jüngsten Forschungsarbeiten ist es nun erstmals gelungen, langzeitstabile effiziente Topemitter (oLEDs mit Lichtemission durch einen transparenten Deckkontakt) zu realisieren. Die hieraus resultierende Freiheit bei der Substratwahl wird zukünftig den Übergang von einer limitierenden Passiv-Matrix-Ansteuerung im Multiplexbetrieb zum Aktiv-Matrix-Modus mit integrierter komplexer Treiberelektronik ermöglichen.

2. Organische Laser

Die herausragenden Leistungsmerkmale organischer Leuchtdioden führen unweigerlich zu der Frage nach der Realisierbarkeit organischer Laserdioden. In einem BMBF-Forschungsverbund mit fünf weiteren Arbeitsgruppen wird diese zukunftsweisende Forschungsaufgabe in ihrer gesamten Breite von der Optimierung der organischen Ausgangsmaterialien und des Heterostrukturaufbaus über das Laserdesign bis hin zur kurzzeitspektroskopischen Charakterisierung zum Verständnis der dynamischen Prozesse bearbeitet. Optisch gepumpte Laserstrukturen konnten bereits für verschiedene Emissionswellenlängen im sichtbaren Spektralbereich demonstriert werden. Dieser erste Teilerfolg ermöglicht nun eine schrittweise Modifizierung der Laserstruktur für die elektrische Anregung. Die bisher erzielten Ergebnisse weisen einerseits auf kritische Optimierungsaufgaben hin, andererseits untermauern sie aber die Prognose einer prinzipiellen Realisierbarkeit derartiger komplexer Strukturen.

3. Polymerelektronik

Die zunächst kaum vorstellbaren rasanten Fortschritte in der organischen Elektrolumineszenz haben auch wesentlich die Polymerelektronik beflügelt. In diesem Forschungsschwerpunkt wurden zunächst dem allgemeinen Forschungstrend folgend laterale organische Feldeffekttransistoren (oFETs) präpariert. Um die im Vergleich zu den anorganischen Halbleitern ungünstigen elektronischen Eigenschaften zu kompensieren, wurde vor etwa zwei Jahren ein neuartiges Konzept eines vertikalen Kurzkanal oFETs vorgestellt. Weiterhin konnte eine Technologie für die laterale Strukturdefinition unter Verzicht auf kostenintensive Photolithographieprozesse entwickelt werden. Diese Forschungsarbeiten sollen in eine durchgängige Prozesstechnologie für die kostengünstige Rolle-zu-Rolle Fertigung organischer Schaltkreise einmünden.

4. III-V-Halbleitertechnologie

II-V-Verbindungshalbleiter bilden neben den organischen Materialien das zweite Standbein der Arbeitsgruppe. Sie werden nicht nur losgelöst für eher klassische optoelektronische Halbleiterbauelemente eingesetzt, sondern es konnten auch in mehreren Forschungsvorhaben neuartige Bauelemente mit vielversprechenden Eigenschaften demonstriert werden, die auf der Kombination organischer und anorganischer Materialien beruhen.

Mit der Molekularstrahlepitaxie wird derzeit ein bisher wenig erforschter ternärer Verbindungshalbleiter, nämlich TlGaP (Thallium-Galliumphosphid), untersucht. Dieses Material kann in seiner Gitterkonstante an das verbreitete Substrat GaAs angepasst werden und weist bei dieser Zusammensetzung eine nahezu temperaturunabhängige Bandkantenwellenlänge von 1,3 µm auf. Somit bietet es ideale Voraussetzungen zur Zusammenführung der GaAs-Mikroelektronik und der Optoelektronik u.a. für Sende- und Empfangsmodule in der optischen Nachrichtentechnik.

5. Sensorik

Dieser Forschungsschwerpunkt wurde durch den Fachbereich Bauingenieurwesen der TU Braunschweig initiiert. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 477 "Bauwerksüberwachung" werden faseroptische Sensorsysteme für ein on-line Monitoring an kritischen Bauwerken entwickelt. Ein hierauf aufbauendes ganzheitliches Qualitätssicherungskonzept gewinnt unausweichlich an Bedeutung, da aufgrund der bereits bestehenden gewaltigen Bausubstanz derzeit gerade die notwendigen Erhaltungs- und Sanierungskosten die Neubauinvestitionen übersteigen.

Da faseroptische Sensoren für mechanische Größen (Dehnungen, Risse) bereits zur Verfügung stehen, hat die Arbeitsgruppe mit der Erforschung von Sensoren für chemische Schädigungen (Feuchte, pH-Wert, Chlorid, Carbonatisierung) Neuland betreten. In intensiver Zusammenarbeit mit organischen Chemikern konnte eine erste Generation derartiger Sensoren bereits demonstriert werden.

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