Halfgeleidende polymeren zijn een weerbarstige bende, maar ingenieurs van de Universiteit van Michigan hebben een nieuwe methode ontwikkeld om ze op één lijn te krijgen, wat de weg zou kunnen effenen voor goedkopere, groener, "paint-on" plastic elektronica.

"Dit is voor het eerst een dunne laag, dirigeren, sterk uitgelijnde film voor hoogwaardige, overschilderbaar, direct beschrijfbare plastic elektronica, " zei Jinsang Kim, U-M hoogleraar materiaalkunde en techniek, wie leidde het onderzoek gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Halfgeleiders zijn het belangrijkste ingrediënt voor computerprocessors, zonnecellen en LED-displays, maar ze zijn duur. Anorganische halfgeleiders zoals silicium vereisen hoge temperaturen van meer dan 2, 000 graden Fahrenheit en dure vacuümsystemen voor verwerking tot elektronica, maar organische en plastic halfgeleiders kunnen worden bereid op een eenvoudige laboratoriumbank.

Het probleem is dat ladingdragers, zoals elektronen, kunnen niet zo gemakkelijk door kunststoffen bewegen als door anorganische halfgeleiders, zei Kim. Een deel van de reden hiervoor is dat elk halfgeleidend polymeermolecuul een korte draad is, en deze draden zijn willekeurig gerangschikt.

"Ladingsmobiliteit langs de polymeerketens is veel sneller dan tussen de polymeren, ' zei Kim.

Om te profiteren van de goede geleiding langs de polymeren, onderzoeksgroepen hebben geprobeerd ze op één lijn te brengen met een autosnelweg, maar het is een beetje alsof je nanoscopische linguine probeert te ordenen.

De groep van Kim benaderde het probleem door slimmere halfgeleidende polymeren te maken. Ze wilden een vloeibare polymeeroplossing die ze over een oppervlak konden borstelen, en de moleculen zouden automatisch met elkaar uitgelijnd zijn in de richting van de slag, assembleren tot hoogwaardige halfgeleidende dunnelaagfilms.

Eerst, ze ontwierpen de polymeren om glad te zijn - gewone polymeren klonteren samen als platte noedels die in de koelkast zijn achtergelaten, zei Kim. Door te kiezen voor polymeren met een natuurlijke twist, het team zorgde ervoor dat ze niet aan elkaar bleven plakken in de oplossing. Maar om tijdens de penseelstreek uit te lijnen, de polymeren moesten elkaar subtiel aantrekken. Vlakke oppervlakken zouden dat doen, dus het team ontwierp hun polymeer om te ontwarren als het oplosmiddel opdroogde.

Ze stopten de niet-uitgelijnde polymeren om grote brokken te vormen door flexibele armen toe te voegen die zich uitstrekten naar de zijkanten van de flat, draadachtig polymeer. Deze armen verhinderden te veel nauw contact tussen de polymeren, terwijl de omvang van de armen ervoor zorgde dat ze niet aan elkaar bleven haken. Polymeren met deze eigenschappen zullen op één lijn liggen in de richting van een uitgeoefende kracht, zoals het trekken van een penseel.

"Het is een grote doorbraak, " zei Kim. "We hebben een volledig moleculair ontwerpprincipe van halfgeleidende polymeren met gericht uitlijningsvermogen vastgesteld."

En het werkt. Het team maakte moleculen die bij hun ontwerp pasten en bouwde een apparaat om de polymeeroplossing over oppervlakken zoals glas of een flexibele plastic film te verspreiden. De kracht van het siliciumblad, met een constante snelheid over het vloeibare polymeer bewegen, was genoeg om de moleculen op één lijn te brengen.

Het team bouwde vervolgens de halfgeleidende film in een eenvoudige transistor, een versie van de elektronische componenten waaruit computerprocessors bestaan. Het apparaat demonstreerde het belang van de polymeeruitlijning door aan te tonen dat ladingsdragers 1 bewogen 000 keer sneller in de richting parallel aan de penseelstreek van het siliciumblad dan bij het kruisen van de richting van de streek.

"Door het gevestigde moleculaire ontwerpprincipe te combineren met een polymeer met een zeer goede intrinsieke mobiliteit van ladingsdragers, we geloven dat het een enorm verschil zal maken in organische elektronica, " zei hij. "We ontwikkelen momenteel een veelzijdige fabricagemethode om hoogwaardige en overschilderbare plastic elektronica te realiseren in verschillende lengteschalen van nanometers tot meters."

Kim gelooft dat de techniek even goed zal werken met penpunten op atomaire schaal of grote troffelachtige applicators voor het maken van elektronica van alle formaten, zoals LED-displays of lichtabsorberende coatings voor zonnecellen.

Het artikel is getiteld "Een moleculair ontwerpprincipe van lyotrope vloeibaar-kristallijne geconjugeerde polymeren met gericht uitlijningsvermogen voor plastic elektronica."