Polymerer som kan leda elektricitet har möjliggjort utvecklingen av flexibla och lätta elektroniska komponenter som bland annat organiska biosensorer, solceller, lysdioder, transistorer och batterier.
Förmågan att leda elektricitet hos polymerer kan justeras genom en metod som kallad dopning. Det går ut på att tillföra olika molekyler, eller störämnen, till polymeren för att ändra dess egenskaper. Beroende på vilka störämnen som används kan den dopade polymeren leda elektrisk laddning antingen med elektroner (n-typ ledare) eller med positiva hål (p-typ ledare). Positiva hål uppstår när ett ämne som saknar en elektron i yttersta elektronskalet används som dopande molekyl.
Stort framsteg
Den mest använda polymeren idag kallas PEDOT:PSS och är en p-typ med många eftertraktade egenskaper – hög ledningsförmåga, god stabilitet och kommersiellt tillgängligt i flytande form.Det nya n-typ materialet är en form av bläck med etanol som lösningsmedel. Foto Thor Balkhed Men många elektroniska komponenter kräver en kombination av n-typer och p-typer för att fungera. Fram till nu har det saknats en n-typ motsvarighet till PEDOT:PSS.
Nu har forskare vid Linköpings universitet tillsammans med kollegor i USA och Sydkorea utvecklat ett ledande n-typ polymert bläck som kallas BBL:PEI.
– Det här är ett stort framsteg som möjliggör nästa generations tryckta elektronik. Utan en passande n-typ polymer har det varit som att försöka gå på ett ben när vi utformar funktionella elektroniska komponenter. Vår upptäckt är det andra benet, säger Simone Fabiano, universitetslektor vid Institutionen för teknik och naturvetenskap vid Linköpings universitet.
Chi-Yuan Yang är postdoktor vid Linköpings universitet och en av huvudförfattarna till artikeln som nu är publicerad i Nature Communications. Han lägger till:
– Allt som kan göras med PEDOT:PSS kan också göras med vår nya polymer. Kombinationen av PEDOT:PSS och BBL:PEI öppnar nya möjligheter för att utveckla stabila och effektiva elektroniska kretsar, säger Chi-Yuan Yang.
Billig tillverkning
Det nya n-typ materialet är en form av bläck med etanol som lösningsmedel. Bläcket kan enkelt appliceras genom att lösningen sprejas på en yta vilket gör komponenter med organisk elektronik enkla och billiga att tillverka. Det nya bläcket banar väg för nyskapande och mer energieffektiv tryckt elektronik. Foto Thor BalkhedDessutom är bläcket mer miljövänligt jämfört med andra n-typ ledare som ofta innehåller i miljöfarliga lösningar. Det nya bläcket är kemiskt stabilt i luft samt tåligt mot höga temperaturer. Enligt Simone Fabiano är tekniken redo att användas.
– Storskalig produktion är möjlig redan nu och vi är väldigt glada att ha kommit så här långt på relativt kort tid. Vi förväntar oss att BBL:PEI kommer få samma genomslag som PEDOT:PSS. Samtidigt finns det mycket att göra för att anpassa bläcket till olika teknologier och vi behöver lära oss mer om materialet, säger Simone Fabiano.
Forskningen finansierades av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Vetenskapsrådet, Stiftelsen Åforsk, Olle Engkvists Stiftelse, Vinnova och via den strategiska satsningen på avancerade funktionella material vid Linköpings universitet.
Artikeln: A high-conductivity n-type polymeric ink for printed electronics Chi-Yuan Yang, Marc-Antoine Stoeckel, Tero-Petri Ruoko, Han-Yan Wu, Xianjie Liu, Nagesh B. Kolhe, Ziang Wu, Yuttapoom Puttisong, Chiara Musumeci, Matteo Massetti, Hengda Sun, Kai Xu, Deyu Tu, Weimin M. Chen, Han Young Woo, Mats Fahlman, Samson A. Jenekhe, Magnus Berggren, Simone Fabiano Nature Communications 2021 doi: 10.1038/s41467-021-22528-y
Fotnot: PEDOT:PSS är en förkortning för poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate. BBL:PEI är en förkortning för poly(benzimidazobenzophenanthroline): poly(ethyleneimine).
Delar av forskargruppen på Laboratoriet för organisk elektronik. Från vänster Marc-Antoine Stoeckel, Tero-Petri Ruoko, Chi-Yuan Yang och Han-Yan Wu. Foto Thor Balkhed