18 december 2017

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

Fler nyheter från LOE

Laboratoriet för organisk elektronik

Glasskiva med droppe belyst underifrån.

Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Forskare vid LiU har utvecklat en ny metod där organiska halvledare kan bli mer ledande med hjälp av luft som störämne. Enligt forskarna är det ett stort steg mot framtidens billiga och hållbara organiska halvledare.

Knappbatteri på finger.

Miljövänligt och billigt batteri för låginkomstländer

Ett batteri gjort av zink och lignin som kan användas över 8000 gånger. Det har forskare vid LiU utvecklat med visionen att det billiga och hållbara batteriet ska kunna användas i länder där tillgången på elektricitet är begränsad.

Forskare (Xenofon Strakosas) vid mikroskop.

Miljondonation till forskartjänst inom elektroniska mediciner

Stig Wadströms stiftelse donerar cirka tio miljoner kronor till LiU. Donationen ska finansiera en forskartjänst inom elektroniska mediciner. Forskaren som fått tjänsten är Xenofon Strakosas vid Laboratoriet för organisk elektronik i Norrköping.

Senaste nytt från LiU

Porträtt av man (Carl Fredrik Graf)

Carl Fredrik Graf får LiU:s förtjänstmedalj

Avgående landshövding Carl Fredrik Graf tilldelas Linköpings universitets förtjänstmedalj för ”sin vilja och förmåga att samla regionens olika krafter i arbetet för en positiv samhällsutveckling”. Medaljen delas ut vid den akademiska högtiden 1 juni.

Kampanj mot droger blev Emmas genombrott

När Kårservice i samarbete med kårerna bestämde att tydligt ta avstånd från droger och droghandel gick uppdraget till GDK-studenten Emma Kunelius. Hennes kampanj fick stort genomslag på campus och nominerades i tävlingen Stora Kommunikationspriset.

Ola Larsmo.

En brygga mellan universitetet och samhället

Författaren Ola Larsmo sammanfattar sin tid som gästprofessor vid LiU som spännande, givande och viktig. Han menar att det i dag är viktigare än någonsin att känna till sin historia och att förstå den.