Ett steg mot snabbare organisk elektronik

Länge har man trott att ordnade polymerkedjor ökar plastens ledningsförmåga. En ny generation polymerer har också tagits fram och visst leder de nya polymererna bättre, men av helt andra skäl. Det visar forskare vid Linköpings universitet och Stanford University i en artikel i ansedda tidskriften PNAS.

Den organiska elektroniken har mängder av fördelar, den är billig, flexibel, transparant och lätt. När det gäller tillämpningar är det bara fantasin som sätter gränserna. Det har också skett en snabb utveckling av polymererna sedan fenomenet med ledande och halvledande plaster upptäcktes och sedan belönades med Nobelpris år 2000. Svagheten är fortfarande snabbheten, plast transporterar laddning långsamt jämfört med exempelvis kisel.

En polymer består av långa kolvätekedjor där andra grundämnen binds som sedan ger den enskilda plasten dess egenskaper. Forskning pågår och kemiindustrins forskare och utvecklare har fått fram nya polymerer som leder allt bättre.

- Laddningen färdas två till tre gånger snabbare i den senaste generationens polymerer, berättar Simone Fabiano, forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, campus Norrköping. Han är också huvudförfattare till artikeln i amerikanska Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS.

Hittills har man strävat efter att få polymerkedjorna i materialet att ligga så väl ordnade som möjligt. Tanken är att det ska vara lätt för laddningen att hoppa mellan kedjorna om de ligger ordnade i rader. Simone Fabiano liknar polymerkedjorna vid spagettistrån som man försökt få att ligga intill varandra och inte i en enda röra som när man häller dem ur kastrullen.

Forskarna har dock till sin förvåning konstaterat i experiment att laddningen verkar färdas lika snabbt i en oordnad polymer som i en ordnad, kristallin.

Simone Fabiano, har tillsammans med kolleger såväl vid Laboratoriet för organisk elektronik i Norrköping som i Stanford, USA, hittat förklaringen. De har kunnat visa att kristalliniteten, eller den ökade ordningen, faktiskt inte spelar någon roll för hur snabbt polymeren leder.

- Vi ser att den nya generationen polymerer har så små defekter att laddningen färdas utmed kedjan istället för att hoppa mellan kedjorna. Det är mindre energikrävande för laddningsbäraren att färdas utmed kedjan än att hoppa till den intilliggande, alltså leder polymeren snabbare, förklarar Simone Fabiano.

Det ideala verkar istället vara att polymeren har en viss oordning och att polymerkedjorna då och då aggregerar, det vill säga korsar varandra för att underlätta övergången.

För att öka ledningsförmågan ytterligare i de ledande och halvledande polymererna och för få fram allt snabbare elektroniska komponenter ställer Simone Fabiano nu sitt hopp till kemisterna.

- Det handlar om design på molekylnivå. Att de kan fortsätta minska defekterna och fokusera på att polymerkedjorna kan få kontakt med varandra, snarare än att de formar stora kristallina strukturer, svarar Simone Fabiano.

Publikationen: Experimental evidence that short-range intermolecular aggregation is sufficient for Efficient charge transport in conjugated polymers, Simone Fabiano, Suhao Wang, Skomantas Puzinas, Xavier Crispin och Magnus Berggren, Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet samt Scott Himmelberger och Alberto Salleo, Departement of Materials Science and Engineering, Stanford University. PNAS augusti 2015, vol 112. DOI 10.1073/pnas

Kontakt: Simone Fabiano, simone.fabiano@liu.se, +46 (0) 11 36 36 33