LiU-forskaren Klas Tybrandt har utvecklat en teoretisk modell som förklarar kopplingen mellan joner och elektroner i den mycket använda ledande polymeren PEDOT:PSS. Modellen kan ha tillämpningar inom tryckt elektronik, energilagring i papper, och bioelektronik.

Ett av de mest använda materialen inom organisk elektronik är den ledande polymeren PEDOT:PSS, ämnet för tiotusentals vetenskapliga artiklar. En av de stora fördelarna med PEDOT:PSS är att den leder både joner och elektroner, men forskarna saknade en modell som förklarar hur detta fungerar.

Klas Tybrandt, huvudutredare i Soft Electronics-gruppen vid Laboratory of Organic Electronics, Campus Norrköping, har utvecklat en sådan teoretisk modell för samspelet mellan joner och elektroner som förklarar hur jontransport och elektrontransport hänger ihop. Modellen har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Vetenskapens framsteg .

"Klassiska elektrokemiska modeller har främst använts tidigare för denna typ av system, och detta har lett till en viss grad av förvirring, eftersom modellerna inte inkluderar halvledarnas egenskaper. Vi har använt en rent fysisk beskrivning som klargör begreppen, säger Klas Tybrandt.

Materialet är en blandning av en halvledande polymer och en polymer som leder joner. De två faserna blandas ner till nanometerskalan, och även en tunn film innehåller ett stort antal gränssnitt. Vid kontaktytan mellan den elektroniska och joniska fasen, vad som är känt som ett "elektriskt dubbelskikt" bildas, vilket innebär att det här byggs upp en laddningsseparation mellan joner och elektroner.

"Vi har kombinerat halvledarfysik med en teori för elektrolyter och elektriska dubbla lager, och vi har kunnat beskriva materialets egenskaper på en teoretisk grund. Vi har också experimentella resultat som visar att modellen stämmer överens med laboratoriemätningar, säger Klas Tybrandt.

PEDOT:PSS är ett av flera polymera material som fungerar på samma sätt. Ökad förståelse för materialet och dess unika egenskaper är ett stort framsteg för forskare inom flera områden av organisk elektronik. Ett sådant område är tryckt elektronik, där det nu är möjligt att beräkna och optimera prestanda för elektrokroma displayer och transistorer.

Ett annat område som drar nytta av den nya modellen är bioelektronik. Här, material som leder både joner och elektroner är särskilt intressanta, eftersom de kan koppla kroppens jonledande system med de elektroniska kretsarna i, till exempel, sensorer. "Vi kan optimera applikationerna på ett helt nytt sätt, nu när vi förstår hur dessa material fungerar, säger Klas Tybrandt.

Ett tredje område är lagring av energi i papper, ett område där LiU-forskare är världsledande. "Att förstå komplexiteten hos dessa polymerer gör att vi kan utveckla och optimera tekniken. Detta kommer att vara ett av områdena för det nyöppnade Wallenberg Wood Science Center, säger Klas Tybrandt.