​Vetenskapligt genombrott möjliggör ultrasnabb transport av elektriska laddningar i polymerer

Ett forskarteam vid Umeå universitet visar för första gången experimentellt att en mycket hög laddningsbärarförmåga i polymera halvledare är möjlig genom en kontrollerad vertikal orientering av polymerkedjor och kristaller. De banbrytande resultaten är publicerade i den ansedda tidskriften Advanced Materials.

Konjugerade halvledande polymerer (plast) har exceptionella optiska och elektroniska egenskaper, vilket gör dem mycket attraktiva för tillverkning av organiska optoelektroniska enheter, till exempel solceller (OPV) och ljusemitterande dioder (OLED) och laser.

Polytiofen, till exempel poly(3-hexylthiophene), P3HT, är bland de mest studerade halvledande polymererna på grund av deras starka optiska absorbans och att de är enkla att bearbeta till en tunn film från lösning. I båda OPVs och OLEDs, måste laddningar transporteras i vertikal riktning inne i polymerfilmen.

Men fram till i dag har den vertikala rörligheten av elektriska laddningar i organiska halvledare, det vill säga laddningarnas förmåga att röra sig i materialet, varit för låg för att producera tillräcklig strömledningsförmåga i en elektronisk enhet.

En snabbare laddningstransport kan ske längs polymerkedjornas ryggrad. En metod för att kontrollera kedjors orientering och rörlighet i vertikal riktning har dock hittills inte funnits.

Nu har ett team av fysiker, kemister och materialforskare, lett av forskaren David Barbero, funnit en helt ny metod för att omordna kedjor vertikalt och producera en effektivare transport av elektrisk laddning genom materialet. Dessutom uppnåddes den höga rörligheten och laddningstransporten utan någon kemisk ”dopning”, vilket traditionellt ofta används för att förbättra laddningsbärarförmågan i polymerer.

– Transporten av elektrisk laddning förbättras mycket enbart genom att vi kontrollerar kedje- och kristallorientering genom bildandet av väldefinierade mosaikmönster på mikroskala inuti halvledarfilmen. Den uppmätta rörligheten är 1 000 gånger högre än tidigare rapporterat i samma slags organisk halvledare, säger David Barbero.

På vilket sätt kommer resultatet att påverka området organisk elektronik?

– Vi tror att resultaten kommer till användning inom arbetet med polymera solceller och organiska fotodioder, där laddningarna transporteras vertikalt i enheterna. Vi har visat att det är möjligt att uppnå mycket bättre ledande egenskaper helt utan dopning. I framtiden kan vi kanske framställa organiska solceller och dioder med denna enkla och billiga metod. Dessa enheter kan komma att konkurrera i effektivitet med oorganiska elektroniska enheter, till exempel baserade på kisel, säger David Barbero.

Laddningstransport mättes med nanoskopiska elektriska metoder och uppvisade en laddningsbärarförmåga på i genomsnitt 3,1 cm²/Vs, vilket är den högsta ledningsförmåga någonsin uppmätt i P3HT.

Kristallinitet och molekylkarakterisering av polymeren utfördes med synkrotonröntgendiffraktion på Stanford University´s National Accelerator och bekräftade att den uppmätta höga elektronrörligheten beror på omorientering av polymerkedjorna och kristallerna i polymerfilmen, vilket leder till en snabbare laddningstranport längs med polymerernas ryggrad.

Om plast:

Vanliga plaster är inte elektriskt ledande, men om de innehåller konjugerade dubbelbindningar, med delokaliserade elektroner som rör sig längs kedjans ryggrad, kan de bli ledande och transportera elektricitet. Dessa elektroner (eller deras positiva motsvarighet, hål) är ändå inte lika rörliga som i metall eller kisel och därför är ledningsförmågan mycket lägre. För att öka laddningsbärarförmågan dopas vanligen polymeren, vilket innebär att man inför föroreningar i materialet för att modulera dess elektriska egenskaper.

Originalartikel:

Vasyl Skrypnychuk, Gert-Jan A. H. Wetzelaer, Pavlo I. Gordiichuck, Stefan C. B. Mannsfeld, Andreas Herrmann, Michael F. Toney, and David R Barbero: Ultrahigh Mobility in an Organic Semiconductor by Vertical Chain Alignment. Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.201503422.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201503422/abstract

För mer information, kontakta gärna:

David Barbero, forskare vid institutionen för kemi

Telefon: 070-210 7705

E-post: david.barbero@umu.se

Pressbild för nedladdning. Foto: Mattias Pettersson

Bildtext till bilden i pressmeddelandet: Vertikalt riktade kedjor bildar mikroskopiska mönster i en organisk halvledande polymerfilm. Bild: privat