Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben een eenvoudige nieuwe aanpassing ontdekt die de efficiëntie van organische elektronica zou kunnen verdubbelen. OLED-schermen, op plastic gebaseerde zonnecellen en bio-elektronica zijn slechts enkele van de technologieën die zouden kunnen profiteren van hun nieuwe ontdekking, die zich bezighoudt met "dubbel gedoteerde" polymeren.

De meeste elektronica is gebaseerd op anorganische halfgeleiders zoals silicium. Cruciaal voor hun functie is een proces dat doping wordt genoemd, waarbij onzuiverheden in de halfgeleider worden weven om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren. Hierdoor kunnen verschillende componenten in zonnecellen en LED-schermen hun werk doen.

Voor biologisch, dat wil zeggen, op koolstof gebaseerde halfgeleiders, ook dit dopingproces is van groot belang. Sinds de ontdekking van elektrisch geleidende kunststoffen en polymeren, een vakgebied waarvoor in 2000 de Nobelprijs werd toegekend, onderzoek en ontwikkeling van organische elektronica is snel in een stroomversnelling geraakt. OLED-displays zijn een voorbeeld dat al op de markt is, bijvoorbeeld, in de nieuwste generatie smartphones. Andere toepassingen zijn nog niet volledig gerealiseerd, mede doordat organische halfgeleiders nog niet efficiënt genoeg zijn.

Doping in organische halfgeleiders werkt via een zogenaamde redoxreactie. Dit betekent dat een doteringsmolecuul een elektron ontvangt van de halfgeleider, verhoging van de elektrische geleidbaarheid van de halfgeleider. Hoe meer doteringsmoleculen waarmee de halfgeleider kan reageren, hoe hoger de geleidbaarheid - in ieder geval tot een bepaalde limiet, waarna de geleidbaarheid afneemt. Momenteel, de efficiëntiegrens van gedoteerde organische halfgeleiders is bepaald door het feit dat de doteerstofmoleculen elk maar één elektron konden uitwisselen.

Maar nu, in een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen , de groep van Christian Müller, hoogleraar Polymer Science aan de Chalmers University of Technology, samen met collega's van zeven andere universiteiten, toont aan dat het mogelijk is om twee elektronen naar elk doteringsmolecuul te verplaatsen.

"Door dit dubbele dopingproces, de halfgeleider kan daardoor twee keer zo effectief worden, " zegt David Kiefer, doctoraat student in de groep en eerste auteur van het artikel.

Volgens Christian Müller, deze innovatie is niet gebaseerd op een geweldige technische prestatie. In plaats daarvan, het is gewoon een kwestie van zien wat anderen niet hebben gezien. "Het hele onderzoeksveld was volledig gericht op het bestuderen van materialen die slechts één redoxreactie per molecuul toelaten. We kozen ervoor om naar een ander type polymeer te kijken met lagere ionisatie-energie. We zagen dat dit materiaal de overdracht van twee elektronen naar het doteringsmiddel mogelijk maakte molecuul. Het is eigenlijk heel eenvoudig, " zegt Muller, Hoogleraar Polymer Science aan de Chalmers University of Technology.

De ontdekking kan verdere verbeteringen mogelijk maken aan technologieën die vandaag niet concurrerend genoeg zijn om op de markt te komen. Een probleem is dat polymeren de stroom gewoon niet goed genoeg geleiden, dus het effectiever maken van de dopingtechnieken is al lang een focus voor het bereiken van betere op polymeren gebaseerde elektronica. Nutsvoorzieningen, deze verdubbeling van de geleidbaarheid van polymeren, het gebruik van slechts dezelfde hoeveelheid doteringsmateriaal over hetzelfde oppervlak als voorheen, zou het kantelpunt kunnen zijn dat nodig is om verschillende opkomende technologieën te commercialiseren.

"Met OLED-schermen, de ontwikkeling is zo ver gevorderd dat ze al op de markt zijn. Maar om andere technologieën te laten slagen en op de markt te brengen, er is iets extra's nodig. Met organische zonnecellen, bijvoorbeeld, of elektronische circuits gebouwd van organisch materiaal, we hebben het vermogen nodig om bepaalde componenten in dezelfde mate te dopen als op silicium gebaseerde elektronica. Onze aanpak is een stap in de goede richting, ", zegt Muller.

De ontdekking biedt fundamentele kennis en zou duizenden onderzoekers kunnen helpen om vooruitgang te boeken in flexibele elektronica, bio-elektronica en thermo-elektriciteit. De onderzoeksgroep van Christian Müller doet onderzoek naar verschillende toepassingsgebieden op basis van polymeertechnologie. Onder andere, zijn groep onderzoekt de ontwikkeling van elektrisch geleidend textiel en organische zonnecellen.