In this work, zinc oxide (ZnO) nanoparticles synthesized in the gas phase are investigated for the fabrication of printed electronic circuits. First, a dispersion of the ZnO nanoparticles engineered in cooperation with project partners in the research training group GRK 1161/1 is characterized. A high contamination level of the dispersions which also shows a dependency on the dispersion process is found. The morphological and electrical characterization of the ZnO layers deposited onto thermally oxidized silicon wafers by spin-coating technique is discussed. The ZnO layers are homogeneous and densely packed over the sample area. The ZnO layers are utilized as channel material for partially printed field effect transistors. With a process temperature range of 300°C to 400°C, operating transistors with a saturation mobility of up to 5∙10-2 cm2/Vs are realized. Remarkably, the process temperature has major influence on the electrical characteristics of the transistors, although no change in morphological properties can be seen. A model for the TFTs based on the model for JFETs and for bulk-MOSFETs, respectively, is derived and evaluated by means of measured I-V-curves. Furthermore, temperature dependent electrical measurements are conducted. It is found that charge transport in the layers under investigation is limited by energetic barriers at grain boundaries which are crossed by charge carriers by thermionic emission. Adsorption of oxygen on particle surfaces can increase the energetic barriers and thereby lower the off-current of ZnO transistors by three orders of magnitude, while adsorption of water molecules has the opposite effect. The behavior of the ZnO nanoparticle layer is described by an energy band model which takes into account the surface adsorption state of the particles. Based on the results, the applicability of ZnO nanoparticles synthesized in the gas phase for printed electronics is discussed. The manufacture of top-gate transistors is proposed for enhancement of charge carrier mobility. For the fabrication of fully printed electron devices based on inorganic particulate materials, tin-doped indium oxide and aluminum oxide are introduced as a basis for solution processed conducting and insulating layers, respectively.

In dieser Arbeit werden Zinkoxid-Nanopartikel aus der Gasphase für die Herstellung von druckbaren elektronischen Schaltungen untersucht. Zunächst werden die Eigenschaften der im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 1161/1 mit Projektpartnern entwickelten Dispersion der ZnO-Nanopartikel vorgestellt. Ein hoher, vom Dispergierprozess abhängiger Fremdstoffgehalt der Dispersionen wird gemessen. Es folgt die morphologische und elektrische Charakterisierung der mittels Schleuderverfahren auf thermisch oxidierte Siliciumträger aufgebrachten ZnO-Nanopartikelschichten. Diese sind über die Probenfläche homogen und geschlossen. Die ZnO-Schichten werden als Kanalmaterial für einen teilweise gedruckten Dünnfilm-Feldeffekttransistor verwendet. Im Bereich der Prozesstemperatur von 300°C bis 400°C werden funktionierende Transistoren mit einer Sättigungsbeweglichkeit von bis zu 5∙10- 2 cm2/Vs hergestellt. Es wird festgestellt, dass die Prozesstemperaturen einen großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Transistoren haben, ohne dass eine Veränderung der morphologischen Eigenschaften der Schichten beobachtet wird. Ein Modell für die Dünnfilm-Feldeffekttransistoren wird vom Modell des JFET bzw. des Langkanal-MOSFET abgeleitet und anhand der gemessenen Kennlinien überprüft. Darüberhinaus werden temperaturabhängige elektrische Messungen durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Ladungstransport in den untersuchten Schichten durch energetische Barrieren an den Korngrenzen limitiert ist, welche von den Ladungsträgern durch thermionische Emission überwunden werden. Die Adsorption von Sauerstoff an den Partikeloberflächen erhöht die energetischen Barrieren und senkt damit den Strom im ausgeschalteten Zustand um bis zu drei Größenordnungen, während die Adsorption von Wassermolekülen einen gegenteiligen Effekt hat. Das Verhalten der ZnO-Nanopartikelschicht wird mit einem Bändermodell beschrieben, das die Oberflächenbelegung der Partikel berücksichtigt. Anhand der Ergebnisse wird die Eignung der ZnO-Partikel aus der Gasphase für druckbare Elektronik bewertet. Die Realisierung der Transistoren mit einem top-Gate wird zur Optimierung der Ladungsträgerbeweglichkeit vorgeschlagen. Für die Herstellung von vollständig gedruckten Bauelementen auf Basis von anorganischen nanopartikulären Materialien werden Indiumzinnoxid und Aluminiumoxid als Basis für flüssig prozessierte Leiter- bzw. Isolatorschichten vorgestellt.