Den organiska elektronikens favoritmaterial nummer ett är den ledande polymeren PEDOT:PSS, med förmågan att leda såväl elektroner som joner. Displayer och transistorer tillverkade i polymeren har en mängd fördelar, enkla, billiga att tillverka, ofarliga material och så vidare, men att få dem att slå om snabbt och vid en exakt spänning, vid en så kallad tröskelspänning, har varit svårt att åstadkomma. Det har därför inte varit möjligt att styra transistorns eller displayens läge med hög precision.
– Bristen på tröskelspänning har begränsat möjligheterna att använda PEDOT:PSS i större kretsar som displayer eller minnen, säger Simone Fabiano, universitetslektor vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, som tillsammans med Negar Sani, RISE Acreo, är huvudförfattare till artikeln i Science Advances.
Vild idé
För mer än fem år sedan dök en vild idé upp vid Laboratoriet för organisk elektronik: tänk om man kunde lösa problemet genom att kombinera elektrokemin med ferroelektricitet. Ferroelektriska material består av dipoler. En dipol har en positiv och en negativt laddad ände och de flippar, snurrar runt, vid en exakt spänning – vid den så kallade tröskelspänningen.
Laboratoriets chef professor Magnus Berggren kunde inte släppa tanken och när han i december 2012 fick fria forskningspengar från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse var detta ett av de högriskprojekt han valde att lägga resurser på.
– Vi talade då om halsbrytande forskning, och här är ett resultat. Detta visar att riktigt bra forskning tar lång tid och kräver en hel del tålamod. Simone Fabiano har gjort ett fantastiskt jobb som inte givit upp när andra har tvivlat eller tröttnat, säger Magnus Berggren.
Flera års envist arbete
Det Simone Fabiano och kollegerna vid Laboratoriet för organisk elektronik har lyckats med efter flera års trägna försök är att lägga ett tunt lager av ett ferroelektriskt material på den ena elektroden, och PEDOT:PSS på den andra, i de organiska komponenterna eller kretsarna.
– Tjockleken på lagret avgör vid vilken spänning kretsen slår om eller får displayen att ändra färg. Detta förenklar tekniken så att det exempelvis inte längre behövs transistorer i displayerna, vi kan styra dem pixel för pixel bara genom ett tunt lager ferroelektriskt material på elektroden, säger Simone Fabiano.
I artikeln har forskargruppen vid LOE visat att ”ferroelektrokemin”, kombinationen av ferroelektricitet och elektrokemi, fungerar på displayer i tryckt elektronik och på organiska transistorer, men användningsområdena är många fler.
– ”Ferroelektrokemiska” komponenter kan med fördel integreras i minnesmatriser eller i bioelektroniska applikationer, för att ta några exempel, säger Simone Fabiano.
Ferroelektrokemi
Tekniken är också patenterad.
– Ferroelektrokemi är ett begrepp som egentligen inte finns, det är lite som en omöjlig kombination av två vitt skilda fenomen som har visat sig ge unika och eftertraktade egenskaper i elektronik, konstaterar Magnus Berggren.
Forskningen har även finansierats med medel från Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, och Vinnova.
Artikeln: Ferroelectric polarization induces electronic nonlinearity in ion-doped conducting polymers, Simone Fabiano, Negar Sani, Jun Kawahara, Loïg Kergoat, Josefin Nissa, Isak Engquist, Xavier Crispin och Magnus Berggren, Laboratoriet för organisk elektronik, Institutionen för teknik och naturvetenskap, Linköpings universitet, Campus Norrköping Science Advances 2017. DOI 10.1126/sciadv.1700345
