Har du hört talas om hopfällbara smartphones? Vad sägs om den smidiga tv-skärmen som rullas ihop till en låda? Eller de ultratunna "tapet"-TV:erna som bara är millimeter tjocka?

En framtid med hopfällbara, böjbar, flexibel och ultratunn elektronik håller snabbt på att bli vår nuvarande. Materialen som är ansvariga för dessa konsumtionsvaror är vanligtvis polymerer - plaster - som leder elektricitet. För att bättre förstå denna lovande klass av ämnen, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) utvecklade en teknik som använder ljus för att snabbt och noggrant testa materialens konduktivitet - och potentiellt avslöja beteende som andra metoder inte kunde. Nu, NIST-teamet har visat den ytterligare användbarheten av denna ljusbaserade metod genom att använda den för att avslöja beteende i en polymer som ingen hade sett tidigare.

Forskarna rapporterar sina resultat i dag i Journal of Physical Chemistry C .

Arbetet är NIST:s senaste bidrag till strävan att utveckla mätverktyg för att studera nya material för användning i alla olika typer av elektronisk överföring, från böjbara biosensorer till mobiltelefoner och solceller.

"Det finns en växande marknad för flexibla skärmar och smartphones, och hålla saker mindre, mer flexibel och lättare att massproducera, sa Tim Magnanelli, NIST forskningskemist och National Research Council postdoc. "Att effektivisera konduktivitetstestningsprocessen kan vara mycket värdefullt för industriforskare som bara vill veta, "Går vi i rätt riktning med en viss modifiering? Gör detta materialet bättre?"

Plast som leder elektricitet

De flesta hushållsapparater som bärbara datorer och även datorerna i tvättmaskiner är baserade på silikonteknik. Kisel är ett utmärkt material för att kontrollera ledning av elektricitet på grund av den lätthet med vilken "laddningsbärare" kan röra sig i en kiselkristall. Negativa bärare är elektroner; positiva bärare kallas "hål" och är platser där en elektron saknas.

Även om plast har studerats och använts i stor utsträckning sedan 1800-talet, ledande plast har bara börjat användas för vanlig kommersiell elektronik. De tenderar att vara något mindre effektiva än kisel när det gäller att leda elektricitet, vilket innebär att det i allmänhet är mindre rörelse hos laddningsbärarna i materialen. Dock, plaster är inte bara flexibla där kisel är styvt, de är också lättare och mer anpassningsbara och är ofta billigare och lättare att tillverka. De kan till och med vara genomskinliga.

Det typiska sättet att testa ett materials konduktivitet är att löda kontakter på det. Men medan kontakter fäster bra på kisel, det är inte alltid möjligt att göra en bra koppling till en polymer. Även med en bra anslutning, det kan fortfarande finnas defekter i materialets yta som ändrar dess uppmätta konduktivitet. Att applicera kontakter på varje prov tar också tid, att förlänga testprocessen och eventuellt hindra tillverkare från att använda provet som en enhetskomponent.

För att ta itu med dessa problem, för några år sedan designade NIST-forskningskemisten Ted Heilweil en snabb, beröringsfritt sätt att mäta riktningskonduktivitet som är beroende av två typer av ljus. Först, han använder ultrakorta pulser av synligt ljus för att skapa elektroner och hål i ett prov. Sedan, han belyser provet med polariserad terahertz (THz) strålning, som har en våglängd mycket längre än det mänskliga ögat kan se, i det fjärran infraröda till mikrovågsområdet.

Till skillnad från synligt ljus, THz-ljus kan penetrera även ogenomskinliga material som relativt tjocka polymerprover och solida halvledare. Hur mycket av det ljuset som penetrerar provet beror på hur många laddningsbärare som rör sig fritt, som indikerar dess ledningsförmåga. Denna nya metod avslöjar också om laddningar rör sig lättare genom materialet i en viss riktning.

Överraskande fynd

I den senaste studien, Heilweil och Magnanelli använder sin THz-metod för första gången på två ledande polymerer, valda för att de är enkla polymerer att studera och jämföra. Den första, kallas PCDTPT, är relativt ny. En kedja av den består av två olika molekyler anslutna ände till ände och omväxlande som färgerna på en gummimask. En molekyl i kedjan är en "donator, " som absorberar ljus och producerar laddningsbärare. Den andra molekylen är en "acceptor, "som lockar avgiftsbärare, få dem att röra sig längs kedjan och runt provet.

Den andra polymeren som testades i detta arbete, kallas P3HT, användes för jämförelse eftersom det har studerats mycket mer ingående. Den innehåller bara en repeterande molekyl och har en mer slumpmässig, mindre ordnad struktur än PCDTPT. Jämfört med kisel, PCDTPT ger ungefär tre storleksordningar mindre ledning, och P3HT ger ungefär fyra storleksordningar mindre.

Heilweil och Magnanelli testade först båda ämnena i form av nanofilmer - i huvudsak ett tunt men fast prov. Deras mål var att kontrastera de ledande egenskaperna hos PCDTPT-filmen när man undersökte längs och tvärs över strängarna.

Då de, suspenderade båda molekylerna i en icke-ledande vätska som hindrade dem från att elektroniskt interagera och kommunicera med varandra. Som förväntat av tidigare experiment, P3HT-lösningen visade ingen mätbar konduktivitet.

Till deras förvåning, dock, PCDTPT-lösningen visade konduktivitet. Inte bara det, men den visade lika mycket ledningsförmåga i lösning som i fast form.

"Det var fantastiskt, ", sa Heilweil. "Vi har aldrig sett det beteendet i någon annan polymer tidigare."

Eftersom PCDTPT-molekylerna var mer isolerade från varandra i vätskeprovet, upptäckten antyder för forskarna att konduktiviteten i PCDTPT sker inom och längs enskilda polymersträngar (dvs inom en enda gummimask), inte mellan polymersträngar (dvs mellan olika gummiartade maskar), tvärtemot vad de flesta forskare tidigare trodde.

"Vi kunde inte ha upptäckt den här informationen med den konventionella, kontaktbaserad metod, sa Magnanelli.

NIST-fysikern Lee Richter och gästforskaren Sebastian Engmann, vem förberedde proverna, hade testat riktade polymermaterial på konventionellt sätt, genom att använda kontakter. Att använda terahertz-metoden "tog det ett steg längre" genom att tillåta forskare "inte bara att överväga vad som händer på ytan där du sätter kontakten, men istället för att titta igenom hela lagret, sa Magnanelli.

Går vidare, Heilweil och Magnanelli hoppas kunna utforska egenskaperna hos liknande kommersiellt tillgängliga polymerer och andra som erhållits av Richter. PCDTPT:s överraskningskonduktivitet när den är suspenderad i en vätska "kan vara toppen av isberget, eftersom kanske en annan polymer också kommer att ha mycket bättre konduktivitet än förväntat", sa Magnanelli. "The sky's the limit."

Även om varken PCDTPT eller P3HT själva sannolikt kommer att vara särskilt användbara för storskaliga konsumentelektronikenheter, Heilweil betonar att ställa de rätta frågorna – genom att hitta nya och bättre sätt att designa, orientera och mäta materialegenskaper – kan visa forskare att ett tidigare ointressant material kan prestera mycket bättre än någon insett.

"Förutsägelsen kan vara att även om vi fortfarande är i spädbarnsåldern när det gäller att förstå hur dessa polymerer beter sig, vi kan komma till en punkt där de är så bra att de till och med konkurrerar med kisel, " sa Heilweil. "Det är ett långt skott, men mycket möjligt."