In een moleculaire prestatie die lijkt op het krijgen van voetgangers op een klauterend zebrapad om spontaan in de pas te lopen, hebben onderzoekers van Kyushu University een reeks moleculen gecreëerd die de neiging hebben om in dezelfde richting te kijken om een ​​"reus oppervlaktepotentieel" te vormen wanneer ze op een oppervlak verdampen.

De onderzoekers hopen de aanpak te gebruiken om gecontroleerde elektrische velden te genereren die de efficiëntie van organische lichtgevende diodes die worden gebruikt in displays en verlichting helpen verbeteren en nieuwe routes openen voor het realiseren van apparaten die trillingen omzetten in elektriciteit met organische materialen.

Gebaseerd op de fantastische chemische veelzijdigheid van koolstof die levende organismen mogelijk maakt, zorgt organische elektronica nu al voor een golf van levendige - en zelfs flexibele - smartphone- en televisieschermen, met toepassingen in zonnecellen, lasers en circuits in het verschiet.

Deze flexibiliteit is gedeeltelijk te wijten aan de ongeordende aard van de dunne films van de materialen die in de apparaten worden gebruikt. In tegenstelling tot gewone anorganische elektronica op basis van siliciumatomen die nauw verbonden zijn in stijve, goed georganiseerde kristallen, vormen organische stoffen meestal 'amorfe' lagen die lang niet zo netjes zijn georganiseerd.

Ondanks de schijnbaar willekeurige organisatie van de moleculen, hebben onderzoekers ontdekt dat sommige in feite de neiging hebben om in dezelfde richting uit te lijnen, wat een diepgaande invloed heeft op de eigenschappen van een apparaat en nieuwe mogelijkheden creëert om de prestaties van het apparaat te regelen.

"Er is al aanzienlijk werk verricht aan moleculen die zodanig zijn uitgelijnd dat het licht dat ze uitstralen gemakkelijker aan een apparaat kan ontsnappen", zegt Masaki Tanaka, een assistent-professor aan de Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT), die het huidige werk begon terwijl aan Kyushu University's Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) en vervolgde de verdere studie van de moleculaire uitlijning in amorfe films na zijn overplaatsing naar TUAT.

"Het was echter bekend dat andere moleculen zodanig uitgelijnd zijn dat meer van hun elektronen aan één kant van de laag worden geplaatst, wat leidt tot een zogenaamd oppervlaktepotentiaal dat gepaard gaat met een elektrisch veld. Dit veld kan ladingen helpen in of uit een apparaat om het efficiënter te maken of nieuwe elektrische eigenschappen te ontgrendelen, maar het vinden van manieren om de vorming van het veld te beheersen, was een uitdaging."

Films die worden gebruikt in organische elektronica zijn meestal slechts tientallen nanometers dik - een fractie van de dikte van een mensenhaar - en worden vaak geleidelijk opgebouwd door eerst een organisch poeder in een vacuüm te verwarmen, zodat het direct verandert van een vaste stof in een gas, een proces dat bekend staat als sublimatie. Wanneer moleculen van het gesublimeerde poeder een koel oppervlak bereiken, blijven ze plakken om een ​​laag te vormen.

"In de gasfase roteren de moleculen willekeurig en botsen ze tegen elkaar, dus ze zullen waarschijnlijk in een willekeurige richting op een film neerslaan", legt Morgan Auffray uit, die de moleculen synthetiseerde. "We hebben echter ontdekt dat bepaalde moleculaire eenheden met fluoratomen in principe van het afzettingsoppervlak zullen afstoten. Door deze eenheden in een molecuul op te nemen, kunnen we de afgezette moleculen ruwweg op één lijn krijgen, met de gefluoreerde eenheden naar buiten gericht."

De onderzoekers bevestigden vervolgens onderdelen die negatief geladen elektronen naar of weg van de gefluoreerde eenheid duwen en trekken. Deze onbalans van ladingen over de uitgelijnde moleculen op een oppervlak leidt tot de zogenaamde oppervlaktepotentiaal en een resulterend elektrisch veld.

"Omdat de afgezette moleculen en de bijbehorende elektrische velden in dezelfde richting wijzen, vormen de afzonderlijke kleine velden samen een veel groter algemeen veld", zegt Tanaka. "We kunnen niet alleen een relatief groter veld krijgen, maar we kunnen het ook naar het oppervlak laten wijzen, wat tot nu toe zelden is gemeld."

Deze lagen leveren een gigantisch oppervlaktepotentiaal van bijna 10 V op, wat vooral indrukwekkend is als je bedenkt dat het spontaan werd geproduceerd door een film van slechts 100 nm dik.

Zo'n grote spanning over zo'n kleine dikte produceert een hoog elektrisch veld dat kan helpen om positieve en negatieve ladingen in de verschillende lagen apparaten zoals OLED's te krijgen, waardoor de algehele efficiëntie van de stroomconversie wordt verbeterd.

Bovendien kunnen deze gecontroleerde, ingebouwde elektrische constructies helpen bij het realiseren van nieuwe apparaten. De onderzoekers toonden al aan dat de lagen kunnen worden gebruikt in een nieuw type apparaat dat trillingen omzet in elektriciteit, maar er is nog meer werk om dergelijke apparaten praktisch te maken.

"De wetenschap laat ons steeds weer nieuwe manieren zien om elektrische processen op kleinere en kleinere schaal te controleren door atomen in organische moleculen te rangschikken", zegt Chihaya Adachi, directeur van OPERA. "Dit onderzoek draagt ​​bij aan onze gereedschapstas, die nieuwe apparaten mogelijk zal maken terwijl deze blijft groeien."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Materials . + Verder verkennen

Buitengewoon dikke organische light-emitting diodes lossen zeurende problemen op