LiU-onderzoeker Klas Tybrandt heeft een theoretisch model ontwikkeld dat de koppeling tussen ionen en elektronen in het veelgebruikte geleidende polymeer PEDOT:PSS verklaart. Het model zou toepassingen kunnen hebben in gedrukte elektronica, energieopslag in papier, en bio-elektronica.

Een van de meest gebruikte materialen in organische elektronica is het geleidende polymeer PEDOT:PSS, onderwerp van tienduizenden wetenschappelijke artikelen. Een van de grote voordelen van PEDOT:PSS is dat het zowel ionen als elektronen geleidt, maar onderzoekers misten een model dat uitlegt hoe dit werkt.

Klas Tybrandt, hoofdonderzoeker in de Soft Electronics-groep van het Laboratory of Organic Electronics, Campus Norrköping, heeft zo'n theoretisch model ontwikkeld voor de interactie tussen ionen en elektronen dat verklaart hoe ionentransport en elektronentransport gerelateerd zijn. Het model is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Klassieke elektrochemische modellen zijn in het verleden vooral gebruikt voor dit soort systemen, en dit heeft geleid tot een zekere mate van verwarring, omdat de modellen de eigenschappen van halfgeleiders niet bevatten. We hebben een puur fysieke beschrijving gebruikt die de concepten verduidelijkt, ’ zegt Klas Tybrandt.

Het materiaal is een mengsel van een halfgeleidend polymeer en een polymeer dat ionen geleidt. De twee fasen worden gemengd tot op nanometerschaal, en zelfs een dunne film bevat een enorm aantal interfaces. Op het contactoppervlak tussen de elektronische en de ionische fasen, wat bekend staat als een "elektrische dubbellaag" vormt, wat betekent dat hier een ladingsscheiding ontstaat tussen ionen en elektronen.

"We hebben halfgeleiderfysica gecombineerd met een theorie voor elektrolyten en elektrische dubbellagen, en we hebben de eigenschappen van het materiaal op theoretische basis kunnen beschrijven. We hebben ook experimentele resultaten die aantonen dat het model overeenkomt met laboratoriummetingen, ’ zegt Klas Tybrandt.

PEDOT:PSS is een van de vele polymere materialen die op dezelfde manier werken. Een beter begrip van het materiaal en zijn unieke eigenschappen is een grote vooruitgang voor onderzoekers op verschillende gebieden van organische elektronica. Een van die gebieden is gedrukte elektronica, waar het nu mogelijk is om de prestaties van elektrochrome displays en transistors te berekenen en te optimaliseren.

Een ander gebied dat profiteert van het nieuwe model is bio-elektronica. Hier, materialen die zowel ionen als elektronen geleiden zijn bijzonder interessant, omdat ze de ionengeleidende systemen van het lichaam kunnen koppelen met de elektronische circuits erin, bijvoorbeeld, sensoren. "We kunnen de applicaties op een geheel nieuwe manier optimaliseren, nu we begrijpen hoe deze materialen werken, ’ zegt Klas Tybrandt.

Een derde gebied is de opslag van energie in papier, een gebied waarin LiU-onderzoekers wereldleiders zijn. "Door de complexiteit van deze polymeren te begrijpen, kunnen we de technologie ontwikkelen en optimaliseren. Dit zal een van de gebieden zijn voor het onlangs geopende Wallenberg Wood Science Center, ’ zegt Klas Tybrandt.