Spinnend, draaiend licht voor de volgende generatie elektronica

Een organische halfgeleider die elektronen dwingt om in een spiraalpatroon te bewegen, wat de efficiëntie van Oled-schermen in televisies en smartphones kan verbeteren, of de volgende generatie computertechnologieën zoals spintronics en kwantumcomputers aandrijven. Dat is ontwikkeld aan de universiteiten van Cambridge en Eindhoven.

De halfgeleider zendt circulair gepolariseerd licht uit, wat betekent dat het licht informatie bevat over de ‘links- of rechtshandigheid’ van elektronen. De interne structuur van de meeste anorganische halfgeleiders, zoals silicium, is symmetrisch, zodat elektronen er doorheen bewegen zonder voorkeursrichting.

In de natuur hebben moleculen vaak een chirale (links- of rechtshandige) structuur: net als mensenhanden zijn chirale moleculen spiegelbeelden van elkaar. Chiraliteit speelt een belangrijke rol in biologische processen zoals DNA-vorming, maar het is een moeilijk fenomeen om te benutten en te beheersen in elektronica.

Links: foto van de groene Oled met schematische weergave van circulair gepolariseerde fotonen. Foto: Seung-Je Woo – Midden: microscoopbeeld van de groen-fluorescerende geordende gebieden na kristallisatie in het Oled-apparaat. Beeld: Ritu Chowdhury – Rechts: schematische weergave van de spiraalvormige gestapelde structuur van de organische halfgeleider. Beeld: privébezit

Chirale halfgeleiders

Door gebruik te maken van moleculaire ontwerptrucs, die geïnspireerd zijn op de natuur, waren de onderzoekers in staat om een chirale halfgeleider te creëren door stapels halfgeleidende moleculen aan te duwen om geordende rechtshandige of linkshandige spiraalkolommen te vormen.

Hun resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Science.

Beeldschermtechnologie

Een potentiële toepassing is de beeldschermtechnologie. De huidige schermen verspillen vaak een aanzienlijke hoeveelheid energie door de manier waarop schermen licht filteren. De chirale halfgeleider straalt van nature licht uit op een manier die deze verliezen zou kunnen verminderen, waardoor schermen helderder en energiezuiniger worden.

“Toen ik begon te werken aan organische halfgeleiders, twijfelden veel mensen aan hun potentieel, maar nu domineren ze de beeldschermtechnologie”, zegt onderzoekleider Richard Friend uit Cambridge. “In tegenstelling tot stijve anorganische halfgeleiders bieden moleculaire materialen een ongelooflijke flexibiliteit, waardoor we geheel nieuwe structuren kunnen ontwerpen, zoals chirale Led’s. Het is alsof je werkt met een Lego-set met elke vorm die je maar kunt bedenken, in plaats van alleen rechthoekige stenen.”

Spiraalpatroon

De halfgeleider is gebaseerd op het materiaal triazatruxeen (TAT) dat zichzelf assembleert tot een spiraalvormige stapel, waardoor elektronen langs de structuur kunnen glijden in een spiraalpatroon, zoals langs de schroefdraad van een schroef.

“Wanneer TAT wordt geactiveerd door blauw of ultraviolet licht, zendt het helder groen licht uit met sterke circulaire polarisatie – een effect dat tot nu toe moeilijk te bereiken was in halfgeleiders”, zegt co-eerste auteur Marco Preuß van de TU/e. “De structuur van TAT zorgt ervoor dat elektronen efficiënt kunnen bewegen en beïnvloedt hoe licht wordt uitgezonden.”

Door Oled-fabricagetechnieken aan te passen, hebben de onderzoekers TAT met succes opgenomen in werkende Oled’s met circulair gepolariseerde Oled’s (CP-Oled’s). Deze apparaten halen recordniveaus in efficiëntie, helderheid en polarisatie.

“We hebben in wezen het standaardrecept verbeterd voor het maken van Oled’s zoals we in onze smartphones hebben. We kunnen nu een chirale structuur vangen in een stabiele, niet-kristalliserende matrix”, zegt co-eerste auteur Rituparno Chowdhury uit Cambridge. “Dit biedt een praktische manier om circulair gepolariseerde Led’s te maken, iets dat het vakgebied al lang voor elkaar probeert te krijgen.”

Bert Meijer van de TTU/e: “Dit is een echte doorbraak in het maken van een chirale halfgeleider. Door de moleculaire structuur zorgvuldig te ontwerpen, hebben we de chiraliteit van de structuur gekoppeld aan de beweging van de elektronen en dat is nog nooit eerder op dit niveau gedaan.”

Kansen

De chirale halfgeleiders vertegenwoordigen een stap voorwaarts in de wereld van organische halfgeleiders, die nu een industrie vertegenwoordigen met een waarde van meer dan 60 miljard dollar.

Naast beeldschermen heeft deze ontwikkeling mogelijk ook impact op kwantumcomputing en spintronics – een onderzoeksgebied dat de spin, of het inherente impulsmoment, van elektronen gebruikt om informatie op te slaan en te verwerken, wat mogelijk kan leiden tot snellere en veiligere computersystemen.