Nytt ljus över mest studerade materialet

Den ledande organiska polymeren PEDOT är just nu ett av världens mest studerade material. Trots detta visar LiU-forskare, med Igor Zozoulenko i spetsen, att materialet fungerar på ett helt annat sätt än forskarvärlden hittills trott. Resultatet har stor betydelse för en lång rad tillämpningar.

Peter Holgersson AB

Fler än 1500 vetenskapliga publikationer per år ägnas åt den ledande organiska polymeren PEDOT, vilket troligen gör det till ett av världens mest studerade material. Dess egenskaper är också unika och polymeren är väl lämpad för solceller, elektroder, lysdioder, mjuka displayer, bioelektronik och mycket annat. Flest publikationer är dock av experimentell natur, och bara en liten bråkdel - mindre än en promille - av alla publikationer har skapat en teoretisk förståelse för de olika aspekterna av polymerfysik, liksom för PEDOT:s elektroniska struktur.

– Dagar med "trial end error"-forskning borde vara över. Jag kan inte föreställa mig hur man idag skulle kunna utveckla ett nytt material utan att ha en gedigen teoretisk förståelse för de underliggande principerna som styr materialets egenskaper, säger Igor Zozoulenko, professor och forskningsledare för teori och modellering vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, Campus Norrköping.

Tidigare rön ställs på ände

Det är också han som står som huvudförfattare till artikeln i ACS Applied Polymer Materials där forskarna presenterar en ny teori kring den elektroniska strukturen och de optiska egenskaperna hos PEDOT. En teori som ställer en rad av de tidigare forskningsrönen kring PEDOT på ände.

Den beräkningsmodell som idag är den erkänt bästa för att förutse egenskaper hos material kallas DFT, densitetsfunktionsteori. Metoden beräknar kvantmekaniska elektrondensiteter på effektivast möjliga vis och har blivit en standard inom materialvetenskapens olika grenar. För organiska ledande polymerer används dock fortfarande modeller utvecklade på 1980-talet och som nu genom LiU-forskarnas arbete visat sig vara direkt felaktiga.

190114 Professor Igor Zozoulenko vid Institutionen fšr Teknik och Naturvetenskap, Linkšpings Universitet den 14 januari 2019 i Norrkšping.  Foto: Peter Holgersson AB Foto Peter Holgersson AB– Ett stort antal analyser som utförts i vetenskapliga artiklar om PEDOT behöver göras om, konstaterar Igor Zozoulenko.

Optiska egenskaper

En av de stora skillnaderna handlar om den optiska absorptionen, eller något förenklat de ljusemitterande egenskaperna, som ju bland annat utnyttjas i solceller och i mjuka displayer. Det optiska spektrumet - vilken färg ljuset har - beror på materialets elektroniska struktur, exempelvis på vilka energinivåer elektronerna sitter inne i atomen, vilket spinn de har och vilka möjligheter de har att förflytta sig. Eftersom förståelsen varit för dålig blir också tolkningarna av de experimentella resultaten fel.

PEDOT eller poly(3,4-ethylenedioxythiophene) är också ett material som i grunden är dopat för att det ska få sin utmärkta ledningsförmåga. Färgen ändras ju mer dopat materialet är - ju mer av ett störämne som tillsatts för att bryta upp elektronparbindningarna inne i atomerna. Här har tidigare metoder helt enkelt inte varit tillräckligt exakta.

– I vårt papper ger vi en helt annan tolkning av PEDOT:s optiska spektra liksom en helt annan tolkning av elektronparametrisk resonans, EPR. Våra resultat är även tillämpliga på många av de övriga ledande polymera materialen, säger Igor Zozoulenko.

Artikeln: Polarons, Bipolarons, and Absorption Spectroscopy of PEDOT
Igor Zozoulenko, Amritpal Singh, Sandeep Kumar Singh, Viktor Gueskine, Xavier Crispin, and Magnus Berggren, Laboratory of Organic Electronics, ITN, Linköping University. ACS Applied Polymer Materials 2018. DOI 10.1021/acsapm.8b00061


Fotnot: 1998 fick Walter Kohn Nobelpriset i kemi för utvecklingen av densitetsfunktionsteorin och 2013 gick Nobelpriset i kemi till just till forskare inom teoretisk modellering av komplexa kemiska system, Martin Karplus, Michael Levitt och Arieh Warshel.

Kontakt

Fler nyheter från Laboratoriet för organisk elektronik

Forskning

Senaste nytt från LiU