Forskare från Chalmers tekniska universitet, Sverige, har upptäckt en enkel ny tweak som kan fördubbla effektiviteten hos organisk elektronik. OLED-skärmar, plastbaserade solceller och bioelektronik är bara några av de tekniker som kan dra nytta av deras nya upptäckt, som behandlar "dubbel-dopade" polymerer.

Majoriteten av elektroniken är baserad på oorganiska halvledare som kisel. Avgörande för deras funktion är en process som kallas dopning, vilket innebär att föroreningar vävs in i halvledaren för att förbättra dess elektriska konduktivitet. Detta gör att olika komponenter i solceller och LED -skärmar fungerar.

För ekologiskt - det vill säga kolbaserade-halvledare, denna dopningsprocess är också mycket viktig. Sedan upptäckten av elektriskt ledande plast och polymerer, ett område för vilket Nobelpriset delades ut 2000, forskning och utveckling av organisk elektronik har accelererat snabbt. OLED-skärmar är ett exempel som redan finns på marknaden, till exempel, i den senaste generationen smartphones. Andra applikationer har ännu inte förverkligats fullt ut, beror delvis på att organiska halvledare ännu inte är tillräckligt effektiva.

Dopning i organiska halvledare fungerar genom en så kallad redoxreaktion. Det betyder att en dopningsmolekyl tar emot en elektron från halvledaren, öka den elektriska ledningsförmågan hos halvledaren. Ju fler dopningsmolekyler som halvledaren kan reagera med, ju högre konduktivitet - åtminstone upp till en viss gräns, varefter konduktiviteten minskar. För närvarande, effektivitetsgränsen för dopade organiska halvledare har bestämts av det faktum att dopningsmolekylerna bara kunde utbyta en elektron var.

Men nu, i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Naturmaterial , gruppen av Christian Müller, professor i polymervetenskap vid Chalmers tekniska universitet, tillsammans med kollegor från sju andra universitet, visar att det är möjligt att flytta två elektroner till varje dopningsmolekyl.

"Genom denna dubbel-dopningsprocess, halvledaren kan därför bli dubbelt så effektiv, "säger David Kiefer, Ph.D. student i gruppen och första författare till artikeln.

Enligt Christian Müller, denna innovation bygger inte på någon stor teknisk prestation. Istället, det handlar helt enkelt om att se vad andra inte har sett. "Hela forskningsområdet har varit helt inriktat på att studera material som bara tillåter en redoxreaktion per molekyl. Vi valde att titta på en annan typ av polymer med lägre joniseringsenergi. Vi såg att detta material tillät överföring av två elektroner till dopningsmedlet molekyl. Det är faktiskt väldigt enkelt, säger Müller, Professor i polymervetenskap vid Chalmers tekniska universitet.

Upptäckten kan möjliggöra ytterligare förbättringar av teknik som idag inte är tillräckligt konkurrenskraftig för att nå marknaden. Ett problem är att polymerer helt enkelt inte leder ström tillräckligt bra, så att göra dopningsteknikerna mer effektiva har länge varit ett fokus för att uppnå bättre polymerbaserad elektronik. Nu, denna fördubbling av konduktiviteten hos polymerer, använder endast samma mängd dopningsmaterial över samma ytarea som tidigare, kan representera den tipppunkt som behövs för att kommersialisera flera nya tekniker.

"Med OLED -skärmar, utvecklingen har kommit så långt att de redan finns på marknaden. Men för att annan teknik ska lyckas och nå den på marknaden, det behövs något extra. Med organiska solceller, till exempel, eller elektroniska kretsar byggda av organiskt material, vi behöver förmågan att dopa vissa komponenter i samma utsträckning som kiselbaserad elektronik. Vår strategi är ett steg i rätt riktning, säger Müller.

Upptäckten erbjuder grundläggande kunskap och kan hjälpa tusentals forskare att nå framsteg inom flexibel elektronik, bioelektronik och termoelektricitet. Christian Müllers forskargrupp forskar på flera tillämpade områden baserade på polymerteknik. Bland annat, hans grupp undersöker utvecklingen av elektriskt ledande textilier och organiska solceller.