24 mrt. 2013
2 minuten
Halfgeleidende polymeren zijn een weerbarstig materiaal, maar technici van de University of Michigan hebben een nieuwe methode ontwikkeld om ze in bedwang te houden en zo het pad verder te effenen voor groene ‘schilderbare’ plastic elektronica.
"Voor het eerst hebben we nu een dunne laag van geleidende, sterk uitgelijnde film voor ‘opschilderbare’ plastic elektronica", zegt professor Jinsang Kim, materiaalwetenschapper aan de University of Michigan, die het onderzoek leidde.
Spaghetti
Plastic halfgeleiders zijn veel goedkoper te produceren dan hun anorganische tegenvoeters, maar een probleem is dat ladingdragers niet zo gemakkelijk door plastic kunnen bewegen, zegt Kim. Dat komt deels doordat elke halfgeleidende polymeermolecuul vergelijkbaar is met een kort draadje, en deze draadjes zijn willekeurig gearrangeerd. "De ladingsmobiliteit langs de polymeerketens is veel groter dan die tussen de polymeren", aldus Kim. Om te profiteren van die goede geleiding langs de polymeerketens hebben onderzoeksgroepen geprobeerd ze zo uit te lijnen, dat ze een ‘ladingssnelweg’ vormen, maar dat is net zoiets als het rangschikken van spaghetti op nanoschaal.
Slimmere polymeren
Kim’s groep pakte het probleem aan door slimmere halfgeleidende polymeren te maken. Zij zochten een vloeibare polymeeroplossing die zij konden schilderen op een oppervlak, waarna de moleculen zich automatische met elkaar zouden uitlijnen in de strijkrichting. Zo zouden halfgeleidende dunnefilmlagen ontstaan met goede prestaties.
Om te beginnen moesten ze glibberige polymeren maken – de gebruikelijk polymeren klitten snel samen. Door te kiezen voor polymeren met van nature een ‘twist’ voorkwam het team dat ze samenkleven in de oplossing. Maar om ze tijdens de kwaststreek te laten uitlijnen, moeten de polymeren elkaar subtiel aantrekken. Dat zou lukken met platte oppervlakken, dus daarom werd het polymeer zo ontworpen dat het ont-twist als de vloeistof opdroogt. Ze voorkwamen dat de niet-uitgelijnde polymeren grote klonten vormen, door flexibel armen toe te voegen aan de zijkanten van de platte, draadachtige polymeren. Deze armen voorkomen een te nabij contact tussen de polymeren.
"het is een belangrijke doorbraak", vindt Kim, "we hebben een compleet moleculair ontwerpprincipe gerealiseerd voor halfgeleidende polymeren, met uitlijningseigenschappen".
1000x sneller
En het werkt. Het team maakte de ontworpen moleculen en bouwde een toestel om de polymeeroplossing uit te smeren en te laten uitlijnen op oppervlakken als glas of flexibele kunststof film. Met de film werd een eenvoudige transistor gemaakt .Met de component kon het belang van uitlijning worden aangetoond: de ladingdragers bewegen 1000 maal sneller in de richting van de uitlijning dan in zijdelingse richtingen.
Kim denkt dat de techniek op grote schaal net zo goed zal werken als op atomair niveau, zodat er bijvoorbeeld leddisplays of een lichtabsorberende coating voor zonnecellen mee kan worden gemaakt.
"A molecular design principle of lyotropic liquid-crystalline conjugated polymers with directed alignment capability for plastic electronics", Nature Materials
Anderen lazen ook
