Nytt ljus över populärt material

LiU-forskaren Klas Tybrandt har tagit fram en teoretisk modell som förklarar kopplingen mellan joner och elektroner i den populära ledande polymeren PEDOT:PSS. Modellen har stor betydelse för applikationer inom tryckt elektronik, energilagring i papper och bioelektronik.

Klas Tybrandt med pappret som kan lagra energi, power paperKlas Tybrandt med pappret som kan lagra energi, power paper Foto: Thor BalkhedEtt av den organiska elektronikens populäraste material är den ledande polymeren PEDOT:PSS och det finns tiotusentals vetenskapliga artiklar som refererar till materialet eller dess egenskaper. En av de stora fördelarna är att materialet leder både joner och elektroner men hittills har ingen lyckats formulera en modell för hur det går till; man vet att materialet har ett antal goda egenskaper, men inte varför.

Ny modell för samspelet joner - elektroner

Klas Tybrandt, forskningsledare för området mjuk elektronik vid Laboratoriet för organisk elektronik, Campus Norrköping, har nu tagit fram en teoretisk modell för samspelet mellan joner och elektroner och hur transporten av joner och elektroner är kopplade till varandra. Modellen presenteras i ansedda Science Advances.

– Tidigare har främst klassiska elektrokemiska modeller applicerats på den här typen av system och det har skapat en viss förvirring eftersom modellerna inte inkluderat egenskaper hos halvledare. Vi har tagit fram en rent fysikalisk beskrivning som reder ut begreppen, säger Klas Tybrandt.

Materialet är en blandning av en halvledande polymer och en polymer med jonledningsförmåga. De två olika faserna blandas på nanometernivå och även en tunn film innehåller ett stort antal gränsytor. I kontakten mellan den elektriska och den joniska fasen bildas ett så kallat elektriskt dubbellager, vilket innebär att det i gränsytorna sker en uppladdning mellan joner och elektroner.

Ökade möjligheter

Klas Tybrandt, forskare vid Laboratoriet för organisk elektronikKlas Tybrandt, Laboratoriet för organisk elektronik Foto: Thor Balkhed– Vi har kombinerat halvledarfysik med teori för elektrolyter och elektriska dubbellager och kan nu beskriva materialens egenskaper teoretiskt. Vi har också visat i labbet att modellen stämmer överens med mätningar, säger Klas Tybrandt.

PEDOT:PSS är ett av flera polymera material som fungerar på samma vis. Att forskarna nu fått ökad förståelse för materialen och dess unika egenskaper innebär ett stort steg framåt inom flera av den organiska elektronikens områden:

Inom den tryckta elektroniken är det möjligt att optimera och beräkna prestanda för komponenter som elektrokroma displayer och transistorer.

Material som leder både joner och elektroner är extra intressanta inom bioelektroniken eftersom de fungerar som en brygga mellan kroppens jonledningssystem och elektroniken i exempelvis sensorer.

– Vi kan optimera applikationerna på ett helt annat sätt när vi förstår hur materialen fungerar, säger Klas Tybrandt.

Power paper

Ett tredje område är energilagring i papper där LiU-forskarna ligger i absolut framkant.

– När vi nu förstår komplexiteten blir det också möjligt att utveckla och optimera tekniken vidare. Detta blir en av aktiviteterna inom nyinrättade Wallenberg Wood Science Center, säger Klas Tybrandt.

Forskningen har i huvudsak finansierats av Vetenskapsrådet samt av den strategiska satsningen på Avancerade Funktionella Material vid Linköpings universitet.

Artikeln Chemical potential–electric double layer coupling in conjugated polymer–polyelectrolyte blends, skriven av Klas Tybrandt, Igor V Zozoulenko och Magnus Berggren, Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, publiceras i Science Advances, DOI 10.1126/sciadv.aao3659

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Fler nyheter från LOE
Visa/dölj innehåll

Laboratoriet för organisk elektronik

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll