Jättekliv inom den organiska elektroniken

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik har tagit fram världens första elektrokemiska logiska krets som är komplementär och som fungerar stabilt i vatten under lång tid. Genombrottet är av stor betydelse, bland annat inom bioelektroniken.

Världens första tryckbara organiska elektrokemiska transistor presenterades av LiU-forskare redan 2002 och forskningen har gått snabbt framåt sedan dess. Flera komponenter i organisk elektronik, som lysdioder och elektrokroma displayer, finns idag ute på marknaden.

Det dominerande materialet forskarna arbetat med hittills är PEDOT:PSS, som är av p-typ, det vill säga materialet transporterar positivt laddade hål. För att bygga effektiva elektroniska komponenter behövs också ett kompletterande material, ett material av n-typ som transporterar elektroner. Hittills har det varit svår att hitta ett elektroniskt polymermaterial som varit tillräckligt stabilt, som fungerar i vatten och som behåller sin höga ledningsförmåga när det dopas.

I en artikel i ansedda Advanced Materials har Simone Fabiano, forskningsledare inom området Organisk nanoelektronik, vid Laboratoriet för organisk elektronik, och hans kollegor hittat ett stabilt n-typmaterial som är uppbyggt som en molekylär stege. Detta ger både stabilitet och bidrar till att ledningsförmågan förblir hög även när materialet är dopat. Ett exempel är BBL, poly(benzimidazobenzophenanthroline), vanligt inom solcellsforskningen.

Hengda Sun, postdoktor vid LiU, har hittat en metod att skapa tjocka filmer av materialet. Ju tjockare film, desto högre blir nämligen ledningsförmågan.

– Med hjälp av vår metod, spray-coating, har vi fått fram filmer som är upp till 200 nm tjocka och som kan nå en extremt hög ledningsförmåga, säger Simone Fabiano.

Det är en metod som också fungerar väl tillsammans med tryckt elektronik över stora ytor.

Hengda Sun har även visat att kretsarna fungerar under lång tid, både i syrerik miljö och i vatten.

– Detta kan verka som ett litet framsteg inom ett smalt område, men det vackra i detta är att det har stora konsekvenser för en mängd tillämpningar. Vi kan nu ta fram komplementära logiska kretsar – inverterare, sensorer och andra komponenter, som fungerar i fuktiga omgivningar eller i vatten, säger Simone Fabiano.

– I logiska kretsar, baserade på enbart elektrokemiska transistorer av p-typ, krävs resistanser som tar stor plats och därmed begränsar tillämpningarna. Med ett n-typ-material i verktygslådan kan vi framställa komplementära kretsar som utnyttjar arean betydligt mer effektivt, tack vare att resistanser nu inte krävs för att åstadkomma logiska kretsar, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och forskningsledare vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Applikationer för de organiska komponenterna är exempelvis tryckbara logiska kretsar i textil eller på papper, olika typer av billiga sensorer, mjuka och böjliga teckenfönster samt inte minst inom hela det stora bioelektroniska fältet. Polymerer som leder både joner och elektroner utgör den brygga som behövs mellan kroppens jonledningssystem och elektroniken i exempelvis sensorer.

Artikeln: Complementary logic circuits based on high-performance n-type organic electrochemical transistor, Hengda Sun, Mikhail Vagin, Suhao Wang, Xavier Crispin, Robert Forchheimer, Magnus Berggren, Simone Fabiano, Advanced Materials 2018. DOI: 10.1002/ adma.201704916R2

Kontakt: Simone Fabiano, simone.fabiano@liu.se

+46 11 36 36 33