(PhysOrg.com) -- Två forskare som arbetar i Europa har banat väg för förbättrad plastelektronik genom att ta fram en teknik som kan användas för att ta bilder av plastblandningar på nanoskala samtidigt i materialets kropp och på ytan.
Lågpris solceller i plast, ljusare skärmar, och en längre batteritid för mobiltelefoner och e-läsare är några förutsebara resultat, eftersom tillverkare kan använda metoden för att bättre förstå det material de använder.
Chris McNeill från University of Cambridge (UK) och Ben Watts från Paul Scherrer Institute (Schweiz) är forskarna bakom genombrottet som publicerades i Makromolekylär snabb kommunikation . De lyser synkrotronstrålning på polymerblandningar för att ta sofistikerade röntgenbilder med flera våglängder av huvuddelen av polymerblandningen, och samtidigt samla de elektroner som bildas genom interaktionen mellan röntgenstrålarna och ytan på provet. Den andra bilden kan jämföras direkt med den första för att se skillnaderna i fördelningen av komponenterna i filmens kropp och på ytan.
Den ytbildande delen fungerar eftersom alla fotoelektroner som bildas i huvuddelen av materialet absorberas innan de når ytan, och därför är endast de som bildas vid ytan fria att lämna materialet och skapa en signal, som är "liten, men mätbart”.
Watts förklarar att "röntgenstrålarna som lyser på provet är "inställda på kolatomen", orsakar polymererna, som mestadels är kol, att ”resonera på ett sätt som gör att de absorberar mycket mer av ljuset vid särskilda våglängder än man annars skulle förvänta sig. Denna resonans mellan ljuset och atomen är också mycket känslig för det sätt på vilket atomerna är sammanlänkade... vilket resulterar i [hög] kontrast mellan polymermaterial som annars verkar nästan identiska." Ett exempel visas på bilden.
"På Cambridge är vi intresserade av användningen av halvledande polymerer för tillämpningar i solceller, ljusdioder (lysdioder), och transistorer, säger McNeill. "Som är fallet inom andra områden inom polymervetenskap, blandningen av två halvledande polymerer gör att du ibland kan uppnå egenskaper eller funktion som inte kan uppnås med den enda polymeren ensam. Effektiviteten hos polymersolceller och lysdioder förbättras kraftigt genom blandning, och vi är särskilt intresserade av hur filmmikrostruktur påverkar enhetens prestanda. Att kunna avbilda inte bara bulkstruktur utan också ytstruktur är avgörande, eftersom det är ytorna som ansluter till elektroderna (och omvärlden) så var det mycket önskvärt att ha en teknik som hjälper oss att förstå hur yt- och bulkstrukturer hänger ihop."
Båda forskarna studerade i samma grupp i Australien innan de gick skilda vägar; McNeill för att fortsätta sitt intresse för organiska halvledare, och Watts hans i synkrotronbaserad karakterisering. Deras expertis inom kompletterande områden innebar att de var à jour med aktuella frågor inom plastelektronikområdet samtidigt som de var medvetna om nya möjligheter för avancerad materialkarakterisering.
McNeill:"På sätt och vis har alla komponenter som krävs för ett sådant experiment varit tillgängliga ett tag, och det krävde ett förverkligande av denna möjlighet och monteringen av komponenterna. Vi tackar Rainer Fink från Universität Erlangen-Nürnberg för att han först demonstrerade experimentets genomförbarhet...Det fanns några tekniska utmaningar i att behöva undertrycka de fotoelektroner som emitteras från andra delar av experimentet för att bara detektera de som kommer från provet, men dessa övervanns mestadels genom Bens envisa uthållighet och noggrannhet.”
De ser att arbetet gynnar inte bara de som arbetar med halvledande polymerer, som är nödvändiga för plastelektronik, men alla typer av tunnfilmspolymerblandningar. Det kan också finnas tillämpningar i andra ekologiska, men icke-polymer, blandningar eller andra material där "karakterisering av yta och bulk är avgörande."
Nästa steg innebär att utvidga analysen av ytstruktur till "en fullständig kvantitativ analys", enligt McNeill, "Detta skulle kräva avbildning vid flera röntgenfotonenergier." Men de längre exponeringstider som krävs kan skada de ytor som studeras. "Vi tillämpar också vår teknik på studiet av polykristallina halvledande polymerfilmer som kommer att ge insikt i samspelet mellan filmmikrostruktur och laddningstransport i dessa enheter."
