DE19534494A1 - Elektronische Bauelemente mit Transistorfunktion - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neue elektronische Bauelemente mit Transistorfunktion, bestehend aus

• - zwei parallel angeordneten flächenförmigen Elektroden (1, 2) für die Stromzuführung (Source- und Drainelektrode), die einen Abstand von 0,01 bis 100 µm voneinander haben,
• - einer oder mehreren Gitterschichten (3) mit Steuerungs­ funktion (Gateelektroden), welche die Abmessungen der Elektroden (1) und (2) haben und parallel zu ihnen zwischen ihnen angeordnet sind und
• - einer zwischen den Elektroden (1) und (2) befindlichen Schicht (4) aus einem Material mit diskotisch-kolumnarem flüssigkristallinem Ordnungszustand, wobei die Orientierung des flüssigkristallinen Materials derart ist, daß die Achse der Kolumnen senkrecht zu den Flächen der Elektroden (1) und (2) ausgerichtet ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der elek­ tronischen Bauelemente als elektronische Schaltelemente, als elektronische Verstärkungselemente, als Dioden und als lichtemit­ tierende Dioden sowie elektronische oder elektrooptische Geräte, welche diese Bauelemente enthalten.

Zahlreiche planare Verbindungen zeigen beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand in bestimmten Temperaturbereichen als Zwischenzustand flüssigkristallines Verhalten, wobei sich disko­ tisch-kolumnare Ordnungszustände ausbilden. In diesen kolumnaren Phasen ist die Ladungsträgerbeweglichkeit in den Kolumnen sehr hoch und erreicht Werte bis zu 10^-3 cm²/Vs. In noch höhergeordne­ ten kolumnaren Phasen, den kolumnar-helicalen Phasen, können so­ gar Ladungsträgerbeweglichkeiten von 10^-1 cm²/Vs beobachtet wer­ den. Diese hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten und die Tatsache, daß der Ladungstransport in der flüssigkristallinen Phase nahezu ungestört ("fallenfrei") erfolgt, macht diese Verbindungen für den Einsatz in Halbleiterbauelementen interessant. Unter disko­ tisch-kolumnarem flüssigkristallinem Ordnungszustand im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen auch höhergeordnete kolumnare Ord­ nungszustände verstanden werden, wie z. B. die genannten kolumnar­ helicalen Phasen.

Leitfähige organische Verbindungen sind seit längerem bekannt und wurden auch schon in elektronischen Bauelementen wie Feldeffekt­ transistoren eingesetzt.

Von Yang et al. (Nature 372, 344, (1994) wird ein Transistor beschrieben, der als organisches Halbleitermaterial Poly-(2-methoxy-5-(2′-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenvinylen enthält. Dieses Material kann durch thermische Eliminierung der Methoxygruppen in ein Polyphenylenvinylen mit ausgedehntem konjugiertem Doppelbindungssystem überführt werden, welches elektrische Ladungen vorzugsweise entlang der Polymerkette zu leiten vermag. Da das organische Halbleitermaterial jedoch im Polymerfilm keine Vorzugsorientierung annimmt, kann das anisotrope Ladungstransportverhalten des Polyphenylenvinylen nicht in vollem Maße für den Ladungstransport von Elektrode zu Elektrode genutzt werden.

In der JP-A 01 189 965 wird ein Feldeffekttransistor beschrieben, der scheibenförmige aromatische Verbindungen als Halbleitermate­ rial enthält. Durch die Geometrie des Feldeffekttransistors, bei dem das Halbleitermaterial als dünner Film auf ein nichtleitendes Substrat aufgebracht wird und die Elektroden seitlich an die Filmschicht angrenzen, kann auch in diesem Fall eine mögliche Vorzugsrichtung des elektrischen Ladungstransports nicht für die elektrische Leitung von Elektrode zu Elektrode ausgenutzt werden.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 44 29 597.9 wird die Verwendung von niedermolekularen oder polymeren organischen Verbindungen mit kolumnar-helicalen flüssigkristallinen Eigen­ schaften in elektronischen Bauelementen beschrieben. Erwähnt wird die Verwendung in organischen Transistoren wie Feldeffekt­ transistoren. Auch hier wirken sich die relativ langen Leitungs­ wege zwischen den Elektroden und die fehlende Vorzugsrichtung des Ladungstransports von Elektrode zu Elektrode nachteilig aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, Transistoren auf Basis organischer Ladungstransportverbindungen zu finden, die diese Nachteile überwinden und eine hohe Ladungsträger­ beweglichkeit in der Richtung von Elektrode zu Elektrode aufweisen.

Demgemäß wurden die eingangs erwähnten elektronischen Bauelemente mit Transistorfunktion gefunden.

Gemäß Fig. 1, die einen Querschnitt durch die erfindungsgemäßen elektronischen Bauelemente zeigt, enthalten diese Bauelemente zwei Hauptelektroden, die sogenannten Source- und Drainelektroden (1) und (2), an welche die Grundspannung angelegt wird. (Die Schicht (S) in Fig. 1 ist eine Substrat- oder Trägerschicht) Schalt- und Verstärkungsvorgänge werden durch zusätzliches Anlegen einer Spannung zwischen einer dieser Hauptelektroden und weiteren Elektroden mit Steuerfunktion, den sogenannten Gateelek­ troden (3), erreicht. Im einfachsten, bevorzugten Fall enthalten die elektronischen Bauelemente nur eine Gateelektrode. Dieser Aufbau entspricht dem Aufbau einer Triode, wie er aus Trioden- Vakuumröhren bekannt ist. Zwischen den Elektroden befindet sich jedoch kein Vakuum, sondern ein Material mit diskotisch-kolum­ narem flüssigkristallinem Ordnungszustand (Schicht (4)). Dieses Material kann entweder eine flüssigkristalline Verbindung oder eine Mischung verschiedener flüssigkristalliner Verbindungen und gewünschtenfalls weiterer Hilfsstoffe sein, oder es kann ein polymeres Material sein, welches durch Vernetzungsreaktionen aus einer niedermolekularen flüssigkristallinen Verbindung oder Mischung hervorgegangen ist. Maßgeblich ist das Auftreten des diskotisch-kolumnaren flüssigkristallinen Ordnungszustands, wozu auch höhergeordnete kolumnare Ordnungszustände wie die kolumnar­ helicalen Strukturen zu rechnen sind, die wegen ihrer besonders großen Ladungsträgerbeweglichkeit besonders bevorzugt sind.

Für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Triode sind zwei unter­ schiedliche Anordnungen (A) und (B) möglich, je nachdem ob die Schicht (4) fest oder flüssig ist:

• (A) Ist das Material der Schicht (4) flüssig, könnten die Gitter­ elektroden (3) nicht in ihrer Lage gehalten werden. Deshalb ist es erforderlich, sie mittels nichtleitender Abstands­ halter abzustützen, wie es Fig. 2 im Querschnitt und Fig. 3 in der Aufsicht veranschaulicht. Die abstandshaltenden Stütz­ elemente (5), die z. B. aus organischen Polymeren oder anorga­ nischen Isolatoren wie Quarzglas oder Keramik bestehen können, haben vorzugsweise die gleiche Struktur wie die zwischen ihnen liegenden Gitterelektroden (3) und sind beispielsweise in parallel liegenden Stäben, welche durch Querstücke verbunden sind, ähnlich einer Kammstruktur angeordnet, wie sie in den Fig. (2) und (3) wiedergegeben ist. In den freien Zwischenräumen, z. B. zwischen den Zinken der Kammstruktur, befindet sich das Material mit diskotisch­ kolumnarem flüssigkristallinen Ordnungszustand.

Diese Anordnung ermöglicht im Gegensatz zur üblichen Feld­ effekt-Architektur sehr kleine, gleichmäßige Elektroden­ abstände, weil dünne Isolator- und Elektrodenschichten technisch mit hoher Präzision herstellbar sind. Typische Isolatorschichtdicken liegen im Bereich zwischen 0,01 und 10 µm. Die Elektrodenschichten können beispielsweise durch Aufdampfen erzeugt werden und können noch dünner sein. Die kurzen Elektrodenabstände sind mit kurzen Ladungstransport­ wegen verbunden und ermöglichen sehr schnelle Schaltzeiten, wie sie mit vergleichbaren Feldeffektanordnungen nicht erreichbar sind. Die typischen Abmessungen der Kammzinken sowie der Zwischenräume liegen im Bereich zwischen 0,01 und 100 µm.

• (B) Die Mittelelektrode (3) ist ohne Isolatorschichten direkt zwischen den Elektroden (1) und (2) angebracht und ist durch das Halbleitermaterial von diesen getrennt. Diese Anordnung ist dann möglich, wenn das Halbleitermaterial durch Vernetzung oder Polymerisation einen festen Film bildet. Auf einen solchen Film kann die Elektrode (3) aufgebracht und dann mit üblichen Methoden, z. B. Photoresistmethoden, Photo­ lithographie und Ätzen, in der gewünschten Gitterform struk­ turiert werden. Die Dimensionen und Abmessungen dieser Anordnung entsprechen denen der Anordnung (A). Auch die Anord­ nung (B) ermöglicht also geringe Elektrodenabstände mit den oben angeführten Vorteilen.

Als Elektrodenmaterialien eignen sich Metalle sowie anorganische und organische Halbleiter, wobei für Löchertransport Materialien mit großer Austrittsarbeit bevorzugt werden, z. B. Gold oder ITO (Indium-Zinn-Oxid). ITO hat zudem den Vorteil, daß es transparent ist und sich daher besonders für Phototransistoren und lichtemit­ tierende Dioden eignet (LEDs). Im Falle von Elektronenleitung werden bevorzugt Metalle sowie anorganische und organische Halb­ leiter mit kleiner Austrittsarbeit verwendet, z. B. Aluminium, Silber-Magnesium-Legierungen oder Alkali- bzw. Erdalkalimetalle. Als Material für die Gateelektrode (3) eignet sich beispielsweise Polyanilin, das mit Camphersulfonsäure protoniert ist. Ebenso kommen Metalle wie Aluminium, Gold oder Silber in Frage.

Wesentlich für die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Bau­ elemente ist die Orientierung der diskotischen Verbindungen in der Weise, daß die Achsen der Kolumnen senkrecht auf den Flächen der Elektroden (1) und (2) stehen. Dies hat zur Folge, daß der in diesen Phasen vorzugsweise in Richtung der Kolumnenachsen statt­ findende Ladungstransport bevorzugt zwischen den Elektroden (1) und (2) erfolgt und nur wenig senkrecht zu dieser Richtung. Diese Orientierung kann auf verschiedene Weise erreicht werden.

Die einfachste Möglichkeit, die gewünschte Orientierung zu erreichen, kann durch eine abgestimmte Geometrie der Halbleiter­ zellen, d. h. der Räume, die durch die Elektrodenflächen (1) und (2), sowie seitlich z. B. durch die Kammkanten der in Anordnung (A) beschriebenen 3-Schichtstruktur gebildet werden, erreicht werden. Diskotisch-kolumnare flüssigkristalline Phasen orien­ tieren sich spontan meist derart, daß die Achsen der Kolumnen senkrecht zu den Phasengrenzflächen stehen. Im vorliegenden Fall wird daher die gewünschte Orientierung oft schon dadurch erreicht, daß in den mit dem Halbleiter gefüllten Räumen die Flächen der Seitenkanten der Elektroden (1) und (2) größer sind als die Flächen der Seitenkanten der Elektrode (3) bzw. der Seitenkanten der oben beschriebenen Kammstrukturen. Diese Geometrie liegt immer dann vor, wenn der mit dem Halbleiter­ material ausgefüllte Raum zwischen den Elektroden (1) und (2) eine größere Länge und Breite aufweist, als der Abstand zwischen diesen Elektroden. Die spontane Orientierung kann unter Umständen durch Tempern erleichtert werden, z. B. durch Erhitzen in den isotropen, flüssigen Zustand und anschließendes Abkühlen bis zum Erreichen der kolumnar-flüssigkristallinen Phase.

Eine weitere Möglichkeit, die gewünschte Orientierung zu erreichen besteht darin, auf die Elektrodenflächen (1) und (2) Orientierungsschichten aufzutragen, durch welche die gewünschte Orientierung in der flüssigkristallinen Phase induziert wird. Diese Orientierungsschichten bestehen bevorzugt aus dünnen Filmen vernetzter kolumnar-flüssigkristalliner Verbindungen, können aber auch aus anderen Polymerfilmen, z. B. aus Polyimiden, gebildet werden.

Auch durch Wechselwirkung mit dem Material der abstandhaltenden Stützelemente (5) kann eine Orientierung erreicht werden, z. B. durch Wechselwirkung aliphatischer Seitenketten der diskotischen Verbindungen mit einem Stützmaterial, welches ähnliche aliphatische Reste enthält.

Im Falle elektrisch dipolarer Verbindungen kann die Orientierung auch durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes bewirkt werden. Unpolare Verbindungen können durch rotierende Magnetfelder orientiert werden. Diese Möglichkeiten bestehen immer dann, wenn die flüssigkristalline Verbindung oder Mischung anschließend, bevorzugt in Anwesenheit des elektrischen oder magnetischen Feldes, vernetzt wird, um die Orientierung zu fixieren.

Als Material mit diskotisch-kolumnarem flüssigkristallinem Ord­ nungszustand kommen z. B. Verbindungen in Betracht, welche sich von folgenden Stammkörpern ableiten: vom Triphenylen, Dibenzo­ pyren, Benzol, Naphthalin, Anthracen, Phenanthren, Benzophen­ anthren, Pentahelicen, Perylen, Decacyclen, Truxen, Ruffigallol, Pyren, Fluoren, Inden oder von entsprechenden aromatischen Syste­ men, in welchen ein oder mehrere Ringkohlenstoffatome durch Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel ersetzt sind, sowie von Tri­ cyclochinazolin, Phthalocyanin oder Porphyrin.

Von diesen Verbindungen eignen sich aufgrund ihres flüssig­ kristallinen Phasenverhaltens mit kolumnaren Phasen im all­ gemeinen besonders solche, die mehrfach mit aliphatischen Gruppen substituiert sind.

Eine bevorzugte Gruppe von Verbindungen für den Einsatz in den erfindungsgemäßen Bauelementen sind substituierte Triphenylene. Geeignete substituierte Triphenylene sind beispielsweise Verbindungen der allgemeinen Formel I.

in der die Substituenten gleich oder verschieden sein können und folgende Bedeutung haben:
R Wasserstoff, Fluor, Chlor, Brom, Jod, Nitro, Cyano, Formyl, eine Azogruppe Ar-N=N-, in der Ar für einen iso- oder hetero­ aromatischen Rest steht, eine aliphatische Gruppe mit 1 bis 20 C-Atomen oder eine araliphatische Gruppe mit bis zu 20 C-Atomen oder eine Gruppe YR¹, in der
Y Sauerstoff, Schwefel, -CO-, -CO-O-, -SO₂- oder -SO₂-O- und
R¹ eine aliphatische oder eine araliphatische Gruppe mit 1-20 C-Atomen oder Wasserstoff bedeutet.

Als Reste R und R¹ kommen Alkylreste mit 1 bis 20 C-Atomen in Be­ tracht, wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, Nonyl, Decyl, Dodecyl, Tetradecyl und Hexadecyl, wobei die Alkylreste mit 4 bis 16 C-Atomen bevorzugt sind. Besonders bevor­ zugt sind die Reste Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl und Nonyl und darunter besonders der Butyl- und der Pentylrest.

Aus Gründen der leichteren Herstellbarkeit sind die Triphenylen­ derivate, die gleiche Reste R tragen bevorzugt, jedoch kann für Triphenylene mit besonderen Eigenschaften auch ein Substitutions­ muster mit verschiedenen Resten R vorteilhaft sein.

Als Reste R kommen auch Azogruppen Ar-N=N- in Betracht, in denen Ar ein isoaromatischer Rest, wie Phenyl oder Naphthyl, oder ein heteroaromatischer Rest ist, der sich vom Pyrrol, Furan, Thio­ phen, Pyrazol, Imidazol, Oxazol, Isoxazol, Thiazol, Isothiazol, Triazol, Oxdiazol, Thiadiazol, Benzofuran, Benzthiophen, Benzimidazol, Benzoxazol, Benzthiazol, Benzisothiazol, Pyrido­ thiophen, Pyrimidinothiophen, Thienothiophen oder Thienothiazol ableitet. Diese Reste können ihrerseits wiederum z. B. mit Alkyl-, Alkoxy-, Aryl-, Aryloxy-, Cyano- oder Nitroresten substituiert sein.

Die Diazosubstituenten Ar-N=N- bilden mit dem Triphenylenring­ system ein konjugiertes π-Elektronensystem, welches durch die Auswahl der Diazoreste variiert werden kann. Dadurch erhalten die Triphenylene interessante optische Eigenschaften, z. B. bezüglich ihrer Absorption oder ihres Fluoreszenzverhaltens.

Außerdem eignen sich als Reste R und R¹ aliphatische Gruppen, die in ihrer Kohlenstoffkette Doppel- oder Dreifachbindungen tragen, beispielsweise Ethenyl, Propenyl, Butenyl, Pentenyl, Hexenyl, Heptenyl, Octenyl, Nonenyl, Decenyl, Dodecenyl, Tetradecenyl, Hexadecenyl, Ethinyl, Propinyl, Butinyl, Pentinyl, Hexinyl, Hep­ tinyl, Octinyl, Noninyl, Decinyl, Dodecinyl, Tetradecinyl oder Hexadecinyl, wobei die Doppel- oder Dreifachbedingungen vorzugs­ weise endständig sind oder, im Falle von Resten R, mit dem Tri­ phenylenkern konjugiert sind.

Als Substituenten in den aliphatischen Resten R und R¹ kommen bei­ spielsweise die Halogene, vor allem Fluor, die Hydroxygruppe, C₁-C₄-Alkoxygruppen sowie Sauerstoff in Oxofunktion in Betracht.

Als Gruppen YR¹ kommen auch die Alkanoylreste wie Acetyl, Propanoyl, Butanoyl, Pentanoyl, Hexanoyl, Heptanoyl, Octanoyl, Nonanoyl, Decanoyl, Dodecanoyl, Tetradecanoyl und Hexadecanoyl in Betracht.

Bevorzugte Gruppen YR¹ sind Alkoxy- und Alkylthioreste, besonders bevorzugt solche mit 4 bis 8 C-Atomen.

Neben den aliphatischen Gruppierungen kommen für R und R¹ auch araliphatische Reste in Betracht. Besonders zu nennen ist aus dieser Gruppe die Benzylgruppe und für R die Benzoylgruppe, die ihrerseits wiederum durch verschiedene Reste substituiert sein können.

Die Herstellung der Triphenylenderivate ist beispielsweise aus Kranig et al., Adv. Materials 1, 36 (1990) und aus Closs et al., J. Chem. Soc. Perkin Trans. I 829 (1995) bekannt. Weitere Tri­ phenylenderivate können nach den in der deutschen Patentanmeldung 19 517 208.6 beschriebenen Methoden erhalten werden.

Je nach Art der Substituenten kommen verschiedene Reaktionen zur Herstellung der Triphenylenderivate in Betracht:
Halogensubstituierte Triphenylene erhält man z. B. durch Umsetzung von Triphenylen mit dem elementaren Halogen.

Formyl- und andere Acylgruppen lassen sich durch Umsetzungen unter den Bedingungen der Friedel-Crafts-Acylierung einführen.

Die aliphatischen und araliphatischen Reste, die am C₁-Atom unsubstituiert sind, lassen sich beispielsweise aus den Halogeniden unter Bedingungen der Friedel-Crafts-Alkylierung er­ halten.

Nitro- und Azogruppen lassen sich in bekannter Weise in das Triphenylenringsystem einführen.

Triphenylenderivate mit Dreifachbindungen im Substituenten, die mit dem aromatischen System konjugiert sind, lassen sich durch Umsetzung von Triphenylen mit dem entsprechenden Alkin in Gegen­ wart basischer Katalysatoren wie tertiärer Amine herstellen. Vorteilhaft ist dabei weiterhin die Verwendung eines Katalysators wie Palladiumchlorid/Kupferdiacetat/Triphenylphosphin.

Sulfonoxysubstituenten lassen sich durch Umsetzung von Hexahydroxytriphenylen mit den entsprechenden Sulfonsäuren oder Sulfonsäureanhydriden, vorzugsweise in Gegenwart eines tertiären Amins herstellen. Alkoxytriphenylene erhält man beispielsweise durch Umsetzung der Hydroxyverbindungen mit Alkylierungsmitteln oder nach den bekannten Methoden der Ethersynthese.

Schwefelverknüpfte Reste R₁ können z. B. durch Substitution eines Bromtriphenylens mit entsprechenden Mercaptanen erhalten werden. Diese Thioether können dann durch Oxidation beispielsweise mit m-Chlorperbenzoesäure zu den entsprechenden Sulfonylverbindungen umgesetzt werden.

Auch die Cyanderivate werden vorzugsweise aus den bromierten Triphenylenen hergestellt, z. B. durch Umsetzung mit Kupfercyanid.

Weiterhin können auch verknüpfte oligomere oder polymere Triphenylene eingesetzt werden, wie sie aus der älteren deutschen Anmeldung P 44 22 332.3 bekannt sind. Diese erstarren meist glas­ artig unter Bewahrung der diskotisch kolumnaren Ordnungsstruktur und stellen damit besonders geeignete Ladungsträgermaterialien dar.

Die Verbindungen zeichnen sich im allgemeinen durch flüssig­ kristalline Phasen in breiten Temperaturbereichen und meist auch im Bereich der Raumtemperatur aus. Durch Mischungen verschiedener erfindungsgemäßer Triphenylenderivate oder durch Kombination mit anderen flüssigkristallinen Verbindungen lassen sich sowohl die Phasenbreite als auch der Temperaturbereich des flüssig­ kristallinen Zustands variieren.

Besonders bevorzugt sind Triphenylenderivate, welche kolumnar­ helicale Phasen ausbilden können. Von diesen sei beispielsweise 2,3,6,7,10,11-Hexahexylthiotriphenylen genannt.

Weiterhin kommen auch oligomere Triphenylenderivate in Betracht, in denen mehrere substituierte Triphenylenreste über eine verknüpfende Zentraleinheit miteinander verbunden sind. Als solche Zentraleinheiten kommen wiederum Triphenylen, aber auch mehrwertige aliphatische Reste mit 2 bis 20 C-Atomen oder mehr­ wertige drei- bis siebengliedrige gesättigte oder ungesättigte carbozyklische oder heterozyklische Reste, die auch benzo­ anelliert sein können oder mehrwertige Siloxan- oder Cyclo­ siloxanreste mit bis zu 10 Siliciumatomen in Betracht. Solche oligomeren flüssigkristallinen Triphenylenderivate sind bei­ spielsweise in der WO 95/02484 beschrieben.

Unter den genannten Triphenylenderivaten sind diejenigen besonders bevorzugt, welche in den Seitenketten vernetzungsfähige Gruppen tragen. Als solche vernetzungsfähigen Gruppen kommen beispielsweise in Betracht:

wobei die Reste L gleiche oder verschiedene C₁-C₄-Alkylgruppen bedeuten. Von diesen vernetzungsfähigen Gruppen sind diejenigen bevorzugt, die radikalisch polymerisiert werden können, wie beispielsweise die olefinisch ungesättigten Gruppen. Die Epoxid-, Thiiran- und Aziridingruppen sowie auch die Isocyanat- und Iso­ thiocyanatgruppen benötigen zur Polymerisation reaktive Hilfsver­ bindungen wie mehrwertige Alkohole oder Amine.

Enthalten die Triphenylenreste keine reaktiven Gruppen in den Seitenketten, so können sie auch in ein polymeres Netzwerk, welches nach der Orientierung durch Polymerisation z. B. von Bisacrylaten aufgebaut wird, integriert werden. Auch auf diese Weise ist eine Fixierung des kolumnaren flüssigkristallinen Ordnungszustandes möglich.

Eine weitere Möglichkeit der Fixierung des kolumnaren Ordnungs­ zustandes besteht im Erhitzen der Verbindungen und nachfolgenden Erstarren in den Glaszustand, was bei schlecht kristallisierenden Verbindungen möglich ist.

Eine weitere bevorzugte Gruppe flüssigkristalliner Ladungs­ transportverbindungen sind die Tricyclochinazoline, wie sie bei­ spielsweise in DE-A 43 25 238 beschrieben sind.

Neben den Triphenylenderivaten und Tricyclochinazolinderivaten kommen als Halbleitermaterial auch die anderen eingangs genannten diskotischen Verbindungen in Betracht. Für die Substituenten die­ ser Verbindungen gelten die gleichen Merkmale und Bevorzugungen wie sie für die Triphenylenderivate genannt wurden. Dies gilt ganz besonders auch für die vernetzungsfähigen Gruppen in den Substituenten.

Die erfindungsgemäßen elektronischen Bauelemente können neben den flüssigkristallinen Verbindungen in der Schicht (4) auch Hilfs­ stoffe mit lichtabsorbierenden oder die Leitfähigkeit beeinflus­ senden Eigenschaften enthalten. Geeignet sind z. B. Verbindungen mit einem breiten Absorptionsbereich im sichtbaren Spektral­ bereich (Sensibilisatoren) oder Verbindungen, die durch Wechsel­ wirkung mit dem Flüssigkristall ein breites Absorptionsspektrum erzeugen. Ein Beispiel für derartige Verbindungen ist Trinitro­ fluorenon, welches Charge-Transfer-Komplexe bilden kann. Weitere Hilfsstoffe können Verbindungen sein, die die Leitfähigkeit des flüssigkristallinen Materials beeinflussen.

Die erfindungsgemäßen elektronischen Bauelemente können auch fluoreszierende Verbindungen enthalten. Diese fluoreszierenden Verbindungen können die flüssigkristallinen Verbindungen selbst sein, es können aber auch fluoreszierende Dotierstoffe zugesetzt werden. Als solche kommen alle gebräuchlichen Fluoreszenzfarb­ stoffe in Frage, wobei die Kompatibilität mit der flüssig­ kristallinen Phase sowie eventuelle Störungen des Phasenverhal­ tens im Einzelfall durch Vorversuche geklärt werden müssen.

Beispiele für fluoreszierende Dotierstoffe sind solche aus der Reihe der Perylene, Naphthalimide, Violanthrone, isoviolanthrone, Pyrene, Oxdiazole, Bisstyryle, Benzoxazole, Benztriazole, Cumarine und Benzofurane.

Insbesondere kommen die folgenden Fluoreszenzfarbstoffe sowie ihre Derivate in Betracht:

Als fluoreszierende flüssigkristalline Verbindungen eignen sich beispielsweise die folgenden Triphenylenderivate:

Die fluoreszierenden oder fluoreszenzstoffdotierten Halbleiter­ phasen eignen sich besonders für elektronische Bauelemente, die als lichtemittierende Dioden (LED) bezeichnet werden. In einer erfindungsgemäßen LED kann die Helligkeit des emittierten Lichts z. B. durch die Steuerspannung reguliert werden. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen LEDs ist die Möglichkeit, groß­ flächige Bauelemente der erfindungsgemäßen Art herzustellen, wozu sich anorganische Halbleiterelemente kaum eignen. Diese groß­ flächigen LEDs lassen sich entweder einheitlich ansteuern oder getrennt nach Mikroflächenelementen, wobei die getrennte Ansteue­ rung der Mikroflächenelemente durch geeignet strukturierte Elek­ troden, wie sie aus der Displaytechnologie allgemein bekannt sind, möglich ist. Für diese Anwendung ist besonders eine erfindungsgemäße Anordnung mit mehreren Gateelektrodenschichten vorteilhaft, weil es dadurch möglich ist, eine größere Zahl von Mikroflächenelementen unabhängig anzusteuern. Aus derartigen LEDs lassen sich selbstleuchtende Displays und Bildschirme herstellen.

Die erfindungsgemäßen Bauelemente können auch als Dioden einge­ setzt werden. Dazu werden die Elektrodenmaterialien so ausge­ wählt, daß das eine Elektrodenmaterial eine geringe Austritts­ arbeit für Elektronen aufweist, das Material der Gegenelektrode dagegen leicht Löcher injiziert.

In ähnlicher Weise wie als LED sind die erfindungsgemäßen Bau­ elemente auch als Phototransistoren zu verwenden. Dabei wird ein optisches Signal durch die Erzeugung von Ladungsträgern in ein elektrisches Signal umgewandelt. Durch das elektrische Potential der Gateelektrode (3) kann dabei die Empfindlichkeit auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Die Ladungsträgererzeugung kann auch in einer zusätzlichen Erzeugungsschicht oder durch ein­ dotierte Materialen erfolgen.

Die flächenförmigen Elektroden (1) und (2) können auch durch lei­ tende und nichtleitende Bereiche strukturiert werden, wie es in der Mikrochip-Technologie üblich ist. Dadurch lassen sich defi­ nierte Bereiche des erfindungsgemäßen Bauelementes getrennt an­ steuern und so auf engem Raum eine große Zahl von Schalt- oder Verstärkungselementen integrieren. Im Idealfall ist es so mög­ lich, durch eine entsprechende Elektrodenstruktur nur wenige Kolumnen der flüssigkristallinen Ordnungsstruktur anzusteuern und auf diese Weise quasi molekulare Dioden oder Transistoren zu kon­ struieren.

Die erfindungsgemäßen Transistoren lassen sich auch als elek­ tronische Schaltelemente verwenden, indem die Spannung an der Gateelektrode - in diesem Falle wird nur eine einzige benötigt - den Stromfluß zwischen der Elektrode (1) und (2) freigibt oder gänzlich unterbindet. Vorteilhaft sind dabei besonders die schnellen Schaltzeiten aufgrund der geringen Elektrodenabstände und den damit verbundenen geringen Ladungstransportstrecken.

Weiterhin lassen sich die erfindungsgemäßen Transistoren als elektronische Verstärkungselemente verwenden. Dazu wird an die Elektroden (1) und (2) eine Grundspannung angelegt, bei der fast kein Strom fließt. Eine geringe Erhöhung dieser Spannung durch ein zusätzliches Steuerpotential an der Gateelektrode (3) führt dann zu einem Stromfluß, der sich sehr empfindlich über die Steuerspannung regeln läßt.

Auch als chemische Sensoren lassen sich die erfindungsgemäßen Transistoren verwenden, wobei sich für diese Verwendung besonders Bauelemente mit polymeren kolumnaren Halbleitern eignen, da diese unlöslich und chemisch resistenz sind. Für diesen Zweck wird eine Elektrode (1) oder (2) ohne Substratmaterial auf die Halbleiter­ schicht aufgetragen, so daß diese Elektrode direkt z. B. mit einer Lösung, welche den zu detektierenden Stoff enthält, in Kontakt gebracht werden kann. Diese freie Elektrodenoberfläche kann auf an sich bekannte Weise z. B. mit Rezeptormolekülen beschichtet werden. Bindet nun ein Ligand an ein Rezeptormolekül, so ändern sich die elektronischen Eigenschaften der Elektrodengrenzfläche wie das Ionisierungspotential, die Austrittsarbeit für Ladung­ sträger oder die Elektronenaffinität. Diese Änderung der Injek­ tionsbedingungen für Ladungsträger an der Elektrode beeinflussen den Stromfluß zwischen den Elektroden (1) und (2). Durch Messung des Stromflusses läßt sich somit die Konzentration von Rezeptor­ liganden in der Lösung messen. Besonders geeignet ist diese Anordnung zur Bestimmung geladener Teilchen wie Ionen und Protonen.

Beispiele Beispiel 1

Auf zwei Glasflächen wurden Gold- bzw. Aluminiumelektroden mit einer Schichtdicke von ca. 60 nm aufgebracht. Mit Hilfe von Spacern wurde aus den Glasplatten eine Zelle mit einer Elektrodenfläche von 2 mm × 2 mm und einem Abstand von 3 µm zusammengesetzt. In diese Zelle wurde bei einer Temperatur von 130°C, d. h. im isotropen flüssigem Zustand 2,3,6,7,10,11-Hexa­ pentyloxytriphenylen (Phasenfolge: k 69°C D_ho 122°C i) eindiffun­ dieren gelassen und anschließend auf eine Temperatur von 80°C ab­ gekühlt. Bei dieser Temperatur wurde eine Spannung von -200 bis +200 V an die Elektroden angelegt und der resultierende Stromfluß gemessen. Das Strom/Spannungsdiagramm zeigt ein typisches Dioden­ verhalten mit ausgeprägt richtungsabhängigem Stromflußverhalten. (s. Fig. 4).

Beispiel 2

Analog zu Beispiel 1 wurde eine Zelle mit 3,7 µm Elektrodenabstand und Elektroden aus Aluminium bzw. ITO (Indium-Zinn-Oxid) mit Octapentyloxidibenzopyren gefüllt und bei 25°C das Strom/ Spannungsdiagramm aufgenommen. Auch hier zeigt sich eine typische Diodenkennlinie. (s. Fig. 5).

Claims (16)

1. Elektronische Bauelemente mit Transistorfunktion, bestehend aus

• - zwei parallel angeordneten flächenförmigen Elektroden (1, 2) für die Stromzuführung (Source- und Drainelek­ trode), die einen Abstand von 0,01 bis 100 µm voneinander haben,
• - einer oder mehreren Gitterschichten (3) mit Steuerungs­ funktion (Gateelektroden), welche die Abmessungen der Elektroden (1) und (2) haben und parallel zu ihnen zwi­ schen ihnen angeordnet sind und
• - einer zwischen den Elektroden (1) und (2) befindlichen Schicht (4) aus einem Material mit diskotisch-kolumnarem flüssigkristallinem Ordnungszustand, wobei die Orientie­ rung des flüssigkristallinen Materials derart ist, daß die Achse der Kolumnen senkrecht zu den Flächen der Elek­ troden (1) und (2) ausgerichtet ist.

2. Elektronische Bauelemente nach Anspruch 1, in welchen die Orientierung des Materials der Schicht (4) dadurch bewirkt worden ist, daß der mit diesem Material ausgefüllte Raum zwi­ schen den Elektroden (1) und (2) eine größere Länge und Breite aufweist, als der Abstand zwischen diesen Elektroden.

3. Elektronische Bauelemente nach Anspruch 1, in welchen die Orientierung des Materials der Schicht (4) durch Orientie­ rungsschichten auf den Elektrodenflächen (1) und/oder (2) oder durch Wechselwirkung mit dem Material der abstand­ haltenden Stützelemente (5) bewirkt worden ist.

4. Elektronische Bauelemente nach Anspruch l, in welchen die Orientierung des Materials der Schicht (4) durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes bewirkt worden ist.

5. Elektronische Bauelemente nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit nur einer Gitterschicht (3).

6. Elektronische Bauelemente nach den Ansprüchen 1 bis 5, in denen das Material der Schicht (4) aus der Gruppe von disko­ tisch kolumnar flüssigkristallinen Verbindungen stammt, die sich vom Triphenylen, Dibenzopyren, Phthalocyanin, Benzol, Naphthalin, Anthracen, Phenanthren, Benzophenanthren, Penta­ helicen, Perylen, Decacyclen, Truxen, Ruffigallol, Pyren, Fluoren oder Inden ableiten oder von entsprechenden aromati­ schen Systemen, in welchen ein oder mehrere Ringkohlenstoff­ atome durch Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel ersetzt sind, sowie vom Tricyclochinazolin oder Porphyrin.

7. Elektronische Bauelemente nach den Ansprüchen 1 bis 6, in denen die diskotisch-kolumnaren flüssigkristallinen Verbindungen reaktive Gruppen tragen, über die eine Vernetzung herbeigeführt werden kann.

8. Elektronische Bauelemente nach den Ansprüchen 1 bis 7, in denen die Schicht (4) neben den flüssigkristallinen Verbindungen Hilfsstoffe mit lichtabsorbierenden oder die Leitfähigkeit beeinflussenden Eigenschaften enthält.

9. Elektronische Bauelemente nach den Ansprüchen 1 bis 8, in denen die flüssigkristallinen Verbindungen der Schicht (4) fluoreszierende Verbindungen sind oder in denen die Schicht (4) zusätzlich zu den flüssigkristallinen Verbindungen flu­ oreszierende Verbindungen enthält.

10. Elektronische Bauelemente nach den Ansprüchen 1 bis 8, in denen die Fläche der Elektroden (1) und/oder (2) durch leitende und nichtleitende Bereiche strukturiert ist.

11. Verwendung der elektronischen Bauelemente gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 als elektronische Schaltelemente.

12. Verwendung der elektronischen Bauelemente gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 als elektronische Verstärkungselemente.

13. Verwendung der elektronischen Bauelemente gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 als Dioden.

14. Verwendung der elektronischen Bauelemente gemäß Anspruch 9 als lichtemittierende Dioden (LED).

15. Chemische Sensoren, bestehend aus einem elektronischen Bau­ element gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 und einer auf die Elek­ trode (1) aufgebrachten Schicht (7) aus einem Rezeptor­ material, welches unter dem Einfluß des zu detektierenden Stoffes seine elektronischen Eigenschaften ändert.

16. Elektronische oder elektrooptische Geräte enthaltend elek­ tronische Bauelemente gemäß den Ansprüchen 1 bis 10.