Ooit gehoord van opvouwbare smartphones? Wat dacht je van het flexibele televisiescherm dat oprolt tot een doos? Of de ultradunne 'wallpaper'-tv's die slechts millimeters dik zijn?

Een toekomst met opvouwbare, buigzaam, flexibele en ultradunne elektronica is hard op weg om ons heden te worden. De materialen die verantwoordelijk zijn voor deze consumptiegoederen zijn meestal polymeren - kunststoffen - die elektriciteit geleiden. Om deze veelbelovende klasse van stoffen beter te begrijpen, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) ontwikkelden een techniek die licht gebruikt om de geleidbaarheid van materialen snel en nauwkeurig te testen - en mogelijk gedrag aan het licht te brengen dat andere methoden niet zouden kunnen. Nutsvoorzieningen, het NIST-team heeft het verdere nut van deze op licht gebaseerde methode aangetoond door het te gebruiken om gedrag in één polymeer aan het licht te brengen dat niemand eerder had gezien.

De wetenschappers rapporteren hun resultaten vandaag in de Journal of Physical Chemistry C .

Het werk is NIST's nieuwste bijdrage aan de zoektocht naar het ontwikkelen van meetinstrumenten om nieuwe materialen te bestuderen voor gebruik in alle verschillende soorten elektronische transmissie, van buigbare biosensoren tot mobiele telefoons en zonnecellen.

"Er is een groeiende markt voor flexibele displays en smartphones, en dingen kleiner houden, flexibeler en gemakkelijker in massa te produceren, " zei Tim Magnanelli, NIST-onderzoekschemicus en postdoctoraal onderzoeker van de National Research Council. "Het stroomlijnen van het geleidbaarheidstestproces kan zeer waardevol zijn voor onderzoekers uit de industrie die gewoon willen weten, "Gaan we met een bepaalde wijziging de goede kant op? Maakt dit het materiaal beter?"

Kunststoffen die elektriciteit geleiden

De meeste consumentenapparatuur zoals laptops en zelfs de computers in wasmachines zijn gebaseerd op siliciumtechnologie. Silicium is een uitstekend materiaal voor het regelen van de geleiding van elektriciteit vanwege het gemak waarmee "ladingsdragers" in een siliciumkristal kunnen bewegen. Negatieve dragers zijn elektronen; positieve dragers worden "gaten" genoemd en zijn plaatsen waar een elektron ontbreekt.

Hoewel kunststoffen al sinds de 19e eeuw zijn bestudeerd en op grote schaal worden gebruikt, geleidende kunststoffen worden nog maar net gebruikt voor de reguliere commerciële elektronica. Ze zijn meestal iets minder efficiënt dan silicium bij het geleiden van elektriciteit, wat betekent dat er over het algemeen minder beweging is van de ladingsdragers in de materialen. Echter, kunststoffen zijn niet alleen flexibel waar silicium stijf is, ze zijn ook lichter en meer aanpasbaar en zijn vaak goedkoper en gemakkelijker te fabriceren. Ze kunnen zelfs transparant zijn.

De typische manier om de geleidbaarheid van een materiaal te testen, is door er contacten op te solderen. Maar terwijl contacten goed hechten aan silicium, het is niet altijd mogelijk om een ​​goede verbinding met een polymeer te maken. Zelfs met een goede verbinding er kunnen nog steeds defecten in het oppervlak van het materiaal zijn die de gemeten geleidbaarheid veranderen. Het toepassen van contacten op elk monster kost ook tijd, het testproces verlengen en mogelijk voorkomen dat fabrikanten het monster als onderdeel van het apparaat gebruiken.

Om deze problemen aan te pakken, een paar jaar geleden ontwierp NIST-onderzoekschemicus Ted Heilweil een snelle, contactloze manier om directionele geleidbaarheid te meten die afhankelijk is van twee soorten licht. Eerst, hij gebruikt ultrakorte pulsen van zichtbaar licht om elektronen en gaten in een monster te creëren. Vervolgens, hij verlicht het monster met gepolariseerde terahertz (THz) straling, die een golflengte heeft die veel langer is dan het menselijk oog kan zien, in het verre infrarood tot microgolfbereik.

In tegenstelling tot zichtbaar licht, THz-licht kan zelfs doordringen in ondoorzichtige materialen zoals relatief dikke polymeermonsters en vaste halfgeleiders. Hoeveel van dat licht het monster binnendringt, hangt af van hoeveel ladingsdragers vrij bewegen, geeft de geleidbaarheid aan. Deze nieuwe methode laat ook zien of ladingen gemakkelijker in een bepaalde richting door het materiaal bewegen.

Verrassende bevindingen

In de laatste studie, Heilweil en Magnanelli gebruiken hun THz-methode voor het eerst op twee geleidende polymeren, gekozen omdat het eenvoudige polymeren zijn om te bestuderen en te vergelijken. De eerste, genaamd PCDTPT, is relatief nieuw. Een ketting ervan bestaat uit twee verschillende moleculen die van begin tot eind zijn verbonden en afwisselend als de kleuren op een gummy worm. Eén molecuul in de keten is een "donor, " die licht absorbeert en ladingsdragers produceert. Het andere molecuul is een "acceptor, " die ladingdragers aantrekt, waardoor ze langs de keten en rond het monster bewegen.

Het tweede polymeer dat in dit werk is getest, genaamd P3HT, werd ter vergelijking gebruikt omdat het veel grondiger is bestudeerd. Het bevat slechts één herhalend molecuul en heeft een meer willekeurige, minder ordelijke structuur dan PCDTPT. Vergeleken met silicium, PCDTPT levert ongeveer drie ordes van grootte minder geleiding op, en P3HT levert ongeveer vier ordes van grootte minder op.

Heilweil en Magnanelli testten beide stoffen eerst in de vorm van nanofilms - in wezen een dun maar stevig monster. Hun doel was om de geleidende eigenschappen van de PCDTPT-film te contrasteren bij het onderzoeken langs versus over de strengen.

Toen ... ze, beide moleculen gesuspendeerd in een niet-geleidende vloeistof die verhinderde dat ze elektronisch met elkaar in wisselwerking stonden en met elkaar communiceerden. Zoals verwacht van eerdere experimenten, de P3HT-oplossing vertoonde geen meetbare geleidbaarheid.

Tot hun verbazing, echter, de PCDTPT-oplossing vertoonde wel geleidbaarheid. Niet alleen dat, maar het vertoonde net zoveel geleidbaarheid in oplossing als in vaste vorm.

"Het was geweldig, "Zei Heilweil. "We hebben dat gedrag nog nooit eerder in een ander polymeer gezien."

Omdat de PCDTPT-moleculen in het vloeibare monster meer van elkaar geïsoleerd waren, de bevinding impliceert voor de onderzoekers dat de geleidbaarheid in PCDTPT plaatsvindt binnen en langs individuele polymeerstrengen (d.w.z. binnen een enkele gummy worm), niet tussen polymeerstrengen (d.w.z. tussen verschillende gummy wormen), in tegenstelling tot wat de meeste wetenschappers eerder dachten.

"We hadden deze informatie niet kunnen ontdekken met behulp van de conventionele, contactgebaseerde methode, ' zei Magnanelli.

NIST-natuurkundige Lee Richter en gastonderzoeker Sebastian Engmann, die de monsters heeft voorbereid, op de conventionele manier directionele polymeermaterialen had getest, door contacten toe te passen. Met behulp van de terahertz-methode "ging het een stap verder" door onderzoekers toe te staan ​​"niet alleen te overwegen wat er aan de oppervlakte gebeurt waar je het contact legt, maar in plaats daarvan door de hele laag te kijken, ' zei Magnanelli.

Vooruit gaan, Heilweil en Magnanelli hopen de eigenschappen te onderzoeken van gelijkaardige in de handel verkrijgbare polymeren en andere die door Richter zijn verkregen. De verrassende geleidbaarheid van PCDTPT wanneer gesuspendeerd in een vloeistof "kan het topje van de ijsberg zijn, want misschien heeft een ander polymeer ook een veel betere geleidbaarheid dan verwacht", zei Magnanelli. "The sky is the limit."

Hoewel noch PCDTPT noch P3HT zelf waarschijnlijk bijzonder nuttig zullen zijn voor grootschalige consumentenelektronica, Heilweil benadrukt dat het stellen van de juiste vragen - door nieuwe en betere manieren te vinden om te ontwerpen, oriënteer en meet materiaaleigenschappen - kan onderzoekers laten zien dat een voorheen oninteressant materiaal veel beter kan presteren dan iemand zich realiseerde.

"De voorspelling kan zijn dat, hoewel we nog in de kinderschoenen staan ​​​​om te begrijpen hoe deze polymeren zich gedragen, we kunnen een punt bereiken waarop ze zo goed zijn dat ze zelfs concurreren met silicium, "Zei Heilweil. "Dat is een lange kans, maar heel goed mogelijk."