foto Thor Balkhed

Framtidens bläck för tryckt elektronik

En grupp forskare vid Linköpings universitet, har tagit fram ett organiskt material med superb ledningsförmåga genom att blanda två polymer, båda med olika egenskaper.
Detta lyckades man med utan att dopa materialet och forskningen genomfördes under ledning av Simone Fabiano, forskningsledare vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Kai Xu och Simone Fabiano, foto Thor Balkhed

För att öka ledningsförmågan och därmed få högre effektivitet i organiska solceller, lysdioder eller olika bioelektroniska applikationer har forskarna hittills dopat materialen med olika ämnen.
Det görs vanligen genom att antingen ta bort en elektron eller donera den till ett halvledande material, som har en lämplig dopningsmolekyl. Båda varianterna ökar antalet laddningar och därmed också materialets ledningsförmåga.

– Normalt dopar vi de organiska polymererna för att förbättra deras ledningsförmåga och öka effektiviteten, säger Simone Fabiano forskningsledare inom Organisk nanoelektronik, vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.
– Processen är stabil under en tid men materialet degenererar och de ämnen vi dopar med kan så småningom läcka ut. Det är något vi till varje pris vill undvika inom exempelvis bioelektroniken där den organiska elektroniken kan göra stor nytta i bärbar elektronik och även inne i kroppen.

Forskargruppen, som består av forskare från fem olika länder, har nu lyckats kombinera två polymerer, som tillsammans ger ett ledande bläck som inte kräver dopning för att leda elektricitet. Energinivåerna i de båda materialen är perfekt anpassade till varandra, vilket innebär att laddningar spontant förflyttar sig från den ena polymeren till den andra. Resultatet av arbetet har publicerats i tidningen Nature Materials.

– Fenomenet med spontan laddningstransport har visats tidigare, men då har det handlat om enskilda kristaller i laboratoriemiljö och inget som är möjligt att utföra i industriell skala, säger Simone Fabiano.
– Polymerer består av stora och stabila molekyler som är enkla att få fram ur en lösning och de är därför väl lämpade för storskalig användning som bläck för tryckt elektronik.

Polymerer är enkla och förhållandevis billiga material och de finns att köpa på en kommersiell marknad. Den nya polymerblandningen läcker inte ut några främmande ämnen, den är stabil över lång tid och klarar hög värme, inte minst viktigt i applikationer där man vill skörda eller lagra energi eller för bärbar elektronik.

– I och med att de är dopningsfria är de också stabila och kan användas överallt där det krävs stabilitet över tid, säger Simone Fabiano.
– Att vi hittat det här fenomenet öppnar helt nya möjligheter att förbättra prestandan i lysdioder och solceller, liksom i andra termoelektriska applikationer, och inte minst för forskning inom bärbar och kroppsnära elektronik.
– Vi har engagerat forskare vid Linköpings universitet och Chalmers, liksom experter i USA, Tyskland, Japan och Kina. Det har verkligen varit roligt att leda det här arbetet som är ett stort och viktigt steg inom området.

Forskningen har i huvudsak finansierats via Vetenskapsrådet och Wallenberg Wood Science Center samt även drivits inom ramen för den strategiska satsningen på avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

– För att öka ledningsförmågan i ledande polymerer har den enda möjligheten hittills varit att dopa dem genom att kombinera en ledande polymer med en annan polymer som inte är ledande, säger Magnus Berggren, professor och föreståndare för Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.
– För första gången har nu en kombination av två ledande polymerer resulterat i ett system som är både stabilt och ger en hög ledningsförmåga. Upptäckten inleder ett helt nytt kapitel för forskningen kring ledande polymerer, den är av stort intresse världen över och kommer att leda till många nya applikationer.

…