Här är framtidens bläck för tryckt elektronik

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 här 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. 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, säger Simone Fabiano, forskningsledare inom Organisk nanoelektronik, vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.

Perfekt anpassade energinivåer

Forskargruppen, med forskare från fem länder, har nu lyckats kombinera två polymerer som tillsammans ger ett ledande bläck som inte kräver någon 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 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. Polymerer består av stora och stabila molekyler som är enkla att få fram ut en lösning och de är därför väl lämpade för storskalig användning som bläck för tryckt elektronik, säger Simone Fabiano.

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 stabilt 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. 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, säger Simone Fabiano.

Nytt kapitel för forskningen

– Vi har engagerat forskare vid LiU 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, säger han.

Forskningen har i huvudsak finansierats via Vetenskapsrådet och Wallenberg Wood Science Center samt även drivits inom ramen för den strategiska satsningen på avancerad 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. För första gången har nu en kombination av två ledande polymerer resulterat i ett system som är både stabilt och ger i 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, säger Magnus Berggren, professor och föreståndare för Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.

Ground-state electron transfer in all-polymer donor-acceptor heterojunctions,
Kai Xu, Hengda Sun, Tero-Petri Ruoko, Gang Wang, Renee Kroon, Nagesh B. Kolhe, Yuttapoom Puttisong, Xianjie Liu, Daniele Fazzi, Koki Shibata, Chi-Yuan Yang, Ning Sun, Gustav Persson, Andrew B. Yankovich, Eva Olsson, Hiroyuki Yoshida, Weimin M. Chen, Mats Fahlman, Martijn Kemerink, Samson A. Jenekhe, Christian Müller, Magnus Berggren, Simone Fabiano. Nature Materials 2020, doi 10.1038/s41563-020-0618-7