Silicium is nog steeds het belangrijkste materiaal voor de productie van halfgeleiderelementen zoals transistors, diodes of zonnecellen. Voor een aantal jaar, echter, er is een interessant alternatief beschikbaar gekomen:bepaalde koolwaterstoffen die ook halfgeleidereigenschappen vertonen, zijn nu de nieuwe standaard in OLED-schermen van mobiele telefoons en televisies. Bovendien, deze "organische" halfgeleiders, zoals deze koolwaterstoffen ook worden genoemd, kan ook worden gebruikt voor zonnecellen of transistors. Hun grote nadeel is hun gebrek aan stabiliteit:zuurstof uit de lucht vernietigt deze elementen snel, daarom moeten ze luchtdicht verpakt worden. Een onderzoeksteam onder leiding van de natuurkundige Serdar Sarıçiftçi van de Johannes Kepler Universiteit Linz heeft nu een doorbraak bereikt in het oplossen van dit probleem. In een project gefinancierd door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF, het team slaagde erin om halfgeleiders te produceren die verband houden met het indigopigment dat niet alleen stabiel is bij blootstelling aan lucht, maar ook onder water.

Een wondermateriaal dat moeilijk te verwerken is

"Werkelijk, we waren op zoek naar halfgeleidermaterialen die biologisch afbreekbaar zijn, " legt Sarıçiftçi uit. "Tijdens het proces kwamen we dit bijbelse materiaal tegen dat bekend staat als indigo. Indigo en zijn derivaten vertonen echte halfgeleidereigenschappen. "Het kwam niet als een verrassing dat indigo een hoge stabiliteit vertoonde:"Indigo werd gebruikt, bijvoorbeeld, in de graven van farao's, waar het na duizenden jaren nog steeds zichtbaar is. En het blauw in jeansmateriaal staat bekend om zijn stevigheid, " merkt Sarıçiftçi op.

Verwerkbaarheid was het probleem bij het gebruik van indigo als halfgeleider:het is bijna onoplosbaar, die, overigens, verklaart deels de duurzaamheid ervan. Veel methoden om organische halfgeleiderelementen te produceren, doen dat wel, echter, vereisen dat het materiaal eerst op de een of andere manier wordt opgelost en vervolgens op een dragermedium wordt afgezet. Sarıçiftçi en zijn groep slaagden erin het pigment oplosbaar te maken door vluchtige zijgroepen aan het indigomolecuul te binden. Bij verhitting boven 100°C splitsen deze zijgroepen zich weer af.

Dat heeft het belangrijkste obstakel voor het gebruik van indigo als halfgeleider weggenomen, zegt Sarıçiftçi:"We zien deze stabiliteit van indigo als een gamechanger. We raden iedereen die aan organische transistors werkt aan om zich vanaf nu te concentreren op deze klasse van materialen."

Onbeantwoorde vragen over zonnecellen en lichtdiodes

Betekent dit dat het hele veld van organische halfgeleiders nu kan verschuiven naar indigoverbindingen? Sarıçiftçi laat een waarschuwing horen:"Vanwege de waterstofbruggen, indigo heeft sterke luminescentie-uitdovende eigenschappen." Deze zwakke binding tussen moleculen, die een belangrijke rol speelt in ijs, heeft een verstorend effect op optische toepassingen.

De functie van zonnecellen, bijvoorbeeld, is gebaseerd op instralend licht dat in wisselwerking staat met het materiaal, die elektronen vrijgeeft en een stroom initieert. In indigo moleculen, echter, dergelijke "opgewonden" elektronische toestanden worden snel afgevoerd en omgezet in warmte voordat ze kunnen worden gebruikt. Dat betekent dat zowel zonnecellen als light-emitting diodes moeilijk te realiseren zullen zijn met de indigo-familie van verbindingen. "We proberen dit probleem te omzeilen, maar er is geen echte oplossing voor, " legt Sarıçiftçi uit. Dit is een aspect dat hij momenteel onderzoekt. Transistors hebben geen last van dergelijke problemen.

Elektronica voor implantaten

Sarıçiftçi ziet een groot potentieel voor indigomaterialen voor medisch gebruik. "We besteden bijzondere aandacht aan de biocompatibiliteit van indigotransistors. We hebben kunnen laten zien dat ze zelfs onder water bij verschillende pH-niveaus kunnen werken. "Dit betekent dat ze kunnen worden gebruikt voor implantaten in menselijk weefsel. "Het opent de deur voor bio-toepassingen, ", merkt Sarıçiftçi op. Recentelijk heeft zijn groep verschillende artikelen over dit onderwerp gepubliceerd in gerenommeerde tijdschriften en een patent verkregen. In 2014, hij begon met het organiseren van een jaarlijkse conferentie over het onderwerp bio-elektronica.

Ook de lage kostprijs van het basismateriaal kan een doorslaggevend voordeel zijn. "Dit zal een argument zijn voor toekomstige massatoepassingen, " merkt Sarıçiftçi op.