Polymerer kan vara halvmetaller

Plaster, eller polymerer, används traditionellt som isolatorer. Nobelpriset i kemi gick år 2000 till en grupp forskare som upptäckt en ny klass av polymerer som kan leda ström på samma vis som halvledare och metaller. Xavier Crispin, docent organisk elektronik, Institutionen för teknik och naturvetenskap vid Linköpings universitet, Campus Norrköping, har nu drivit ett projekt där inte mindre än tjugo forskare från fem universitet samarbetat för att bevisa att polymererna även kan fungera som halvmetaller.

Resultatet publiceras nu i en artikel i ansedda Nature Materials med Xavier Crispin som huvudförfattare.

Xavier Crispin upptäckte för några år sedan att ledande polymerer kan vara termoelektriska. Ett termoelektriskt material leder ström olika väl beroende på temperaturen. Skillnaden i ledningsförmågan i den kalla och den varma delen ger upphov till en elektrisk spänning som man kan utnyttja, exempelvis i en vanlig stektermometer.

– Vi fick ut en hög termoelektriskt effekt, så kallad Seebeck-effekt, i våra experiment och det tydde på att vi hade att göra med halvmetaller, men vi behövde bevis, säger Xavier Crispin.

Det krävdes kompetens från många olika håll för att på djupet förstå fenomenet.

Tjugo forskare löste gåtan

Hela tjugo forskare från Sverige, Australien, Belgien, Norge och Danmark är medförfattare till artikeln i Nature Materials och inte mindre än tio av dem finns på Linköpings universitet, som professorerna Magnus Berggren och Igor Zozoulenko på Laboratoriet för organisk elektronik, Institutionen för teknik och naturvetenskap, Campus Norrköping, och professorerna Mats Fahlman, Avdelningen för ytors fysik och kemi, och Weimin Chen, Avdelningen för funktionella elektroniska material, båda på Institutionen för kemi, fysik och biologi.

– Xavier Crispin har drivit detta på ett imponerade vis. Vi har en fantastisk miljö för materialforskning på Linköpings universitet, med världsledande kompetens. Vi är alla vänner i systemet och har kunnat få fram den här artikeln utan att ha gemensamma pengar, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik.

Teoretiska bidrag från Igor Zozoulenko och analyser utförda av Mats Fahlman respektive Weimin Chen på LiU liksom av forskarkollegor i Australien, Belgien, Norge och Danmark pekade på exakt samma sak: polymeren, i detta fall en dopad variant av plasten PEDOT, uppför sig exakt som en halvmetall, vilket också förklarar den höga Seebeck-effekten.

Ersätter dyra halvmetaller

Termoelektriska generatorer finns idag på marknaden, men är då tillverkade av legeringar av vismut och halvmetallen tellur. Till skillnad från polymererna är det ämnen som både är sällsynta och dyra.
Foto: Ida Ling Flanagan

– De här polymererna är både enkla och billiga att tillverka. Att vi nu fått en förståelse för de här fenomenen kommer att ge en rejäl skjuts åt utvecklingen och öppna upp ett nytt forskningsfält inom den organiska elektroniken, säger Magnus Berggren.

Forskningen har i huvudsak finansierats av Europeiska forskningsrådet, ERC. Xavier Crispin tilldelades hösten 2012 ett femårigt ERC Starting Grant på cirka 13 miljoner kronor.


Semi-metallic polymers, Nature Materials

Olga Bubnova, Zia Ullah Khan, HuiWang, Igor Zozoulenko, Magnus Berggren och Xavier Crispin, Institutionen för teknik och naturvetenskap, Linköpings universitet, Sverige.
Slawomir Braun, Daniel Dagnelund, Weimin M. Chen och Mats Fahlman, Institutionen för kemi, fysik och biologi, Linköpings universitet, Sverige.
Drew R. Evans, Manrico Fabretto, Pejman Hojati-Talemi, Peter J. Murphy, University of South Australia, Mawson Lakes, Australien
Jean-Baptiste Arlin, Yves Geerts, Free University of Brussels, Bryssel, Belgien
Simon Desbief, Roberto Lazzaroni, University of Mons, Mons, Belgien
Dag W Breiby, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norge.
Jens W Andreasen, Technical University of Denmark, Roskilde, Danmark.

Nature Materials 2013-12-08

www.nature.com/naturematerials

Publicerad 2013-12-09