Halvledande polymerer är ett oregerligt gäng, men ingenjörer från University of Michigan har utvecklat en ny metod för att få dem i linje som kan bana väg för billigare, grönare, "lackad" plastelektronik.

"Detta är för första gången ett tunt lager, dirigera, högt justerad film för hög prestanda, målbar, direkt skrivbar plastelektronik, " sa Jinsang Kim, U-M professor i materialvetenskap och teknik, som ledde forskningen publicerad i Naturmaterial .

Halvledare är nyckelingrediensen för datorprocessorer, solceller och LED-skärmar, men de är dyra. Oorganiska halvledare som kisel kräver höga temperaturer över 2, 000 grader Fahrenheit och dyra vakuumsystem för bearbetning till elektronik, men organiska och plastiska halvledare kan förberedas på en grundläggande labbbänk.

Problemet är att laddningsbärare, som elektroner, kan inte röra sig genom plast nästan lika lätt som de kan röra sig genom oorganiska halvledare, sa Kim. En del av anledningen till detta är att varje halvledande polymermolekyl är som en kort tråd, och dessa ledningar är slumpmässigt anordnade.

"Laddningsrörlighet längs polymerkedjorna är mycket snabbare än mellan polymererna, " sa Kim.

För att dra fördel av den goda ledningen längs polymererna, forskargrupper har försökt att anpassa dem till en avgiftsbärande motorväg, men det är lite som att försöka ordna nanoskopisk linguine.

Kims grupp närmade sig problemet genom att göra smartare halvledande polymerer. De ville ha en flytande polymerlösning som de kunde borsta över en yta, och molekylerna skulle automatiskt anpassa sig till varandra i riktningen för slaget, sammansättning till högpresterande halvledande tunnskiktsfilmer.

Först, de designade polymererna så att de var hala - vanliga polymerer glöder ihop som platta nudlar kvar i kylen, sa Kim. Genom att välja polymerer med en naturlig twist, teamet hindrade dem från att hålla sig till varandra i lösningen. Men för att anpassa sig under penseldraget, polymererna som behövs för att subtilt attrahera varandra. Platta ytor skulle göra det, så teamet designade sin polymer för att vridas upp när lösningsmedlet torkade.

De stoppade de ojusterade polymererna från att bilda stora bitar genom att lägga till flexibla armar som sträckte sig ut till sidorna av lägenheten, trådliknande polymer. Dessa armar förhindrade för mycket nära kontakt mellan polymererna medan armarnas skrymmande hindrade dem från att haka på varandra. Polymerer med dessa egenskaper kommer att radas upp i riktning mot en applicerad kraft, som dragningen av en pensel.

"Det är ett stort genombrott, " sa Kim. "Vi etablerade en fullständig molekylär designprincip för halvledande polymerer med förmåga att rikta inriktning."

Och det fungerar. Teamet gjorde molekyler som matchade deras design och byggde en anordning för att sprida polymerlösningen över ytor som glas eller en flexibel plastfilm. Kraften från kiselbladet, rör sig med konstant hastighet över den flytande polymeren, räckte för att rikta in molekylerna.

Teamet byggde sedan den halvledande filmen till en enkel transistor, en version av de elektroniska komponenterna som utgör datorprocessorer. Enheten visade vikten av polymerinriktningen genom att visa att laddningsbärarna rörde sig 1, 000 gånger snabbare i riktningen parallellt med kiselbladets penseldrag än vad de gjorde när de korsade slagets riktning.

"Genom att kombinera den etablerade molekylära designprincipen med en polymer som har en mycket god inre laddningsbärarmobilitet, vi tror att det kommer att göra en enorm skillnad inom organisk elektronik, ", sa han. "Vi utvecklar för närvarande en mångsidig tillverkningsmetod för att realisera högpresterande och målningsbar plastelektronik i olika längdskalor från nanometer till meter."

Kim tror att tekniken kommer att fungera lika bra med pennspetsar i atomskala eller stora spackelliknande applikatorer för att göra elektronik i alla storlekar som LED-skärmar eller ljusabsorberande beläggningar för solceller.

Uppsatsen har titeln "En molekylär designprincip för lyotropa flytande kristallina konjugerade polymerer med riktad inriktningsförmåga för plastelektronik."