Polymeren geleiden uitstekend
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft hebben aangetoond dat de beweeglijkheid van ladingen langs bepaalde typen polymeren meer dan duizend maal hoger is dan dat men tot nu toe geobserveerd heeft. De beweeglijkheid komt daarmee dicht in de buurt van conventionele halfgeleiders. De resultaten vormen een belangrijke stap op weg naar het verbeteren van plastic elektronica. Bovendien is dit type polymeer een mogelijke kandidaat voor gebruik als verbindingsdraad in elektronica op moleculaire schaal. De onderzoekers publiceren de resultaten van hun onderzoek op 21 april aanstaande in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters.
Polymeren met geleidende eigenschappen zijn interessant vanwege hun toepassing in plastic en organische elektronica zoals fotovoltaïsche cellen, organische diodes en transistors. Het gebruik van polymeren als halfgeleider maakt het mogelijk om flexibele elektronica te maken en deze goedkoop en eenvoudig te produceren. Momenteel gebruikt men voor elektronica conventionele halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide. Met een techniek die fotolithografie heet, maakt men uit deze materialen elektronische componenten. De productie hiervan is duur en gecompliceerd.
Elektronische componenten worden steeds kleiner. Dat betekent dat men snel tegen de grenzen van de fotolithografie aanloopt. Organische elektronica biedt hier nieuwe mogelijkheden: een enkel molecuul is hier de kleinst mogelijke component. Dit is tenminste twintig keer kleiner dan de kleinste structuren die met fotolithografie gemaakt kunnen worden.
Beweeglijkheid van ladingen
De belangrijkste factor voor goed-werkende elektronica is de beweeglijkheid van de ladingen door het materiaal. Tot nu toe vonden wetenschappers dat ladingen zo'n duizendmaal minder makkelijk bewegen in polymeren als in de conventionele halfgeleiders. Onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft hebben nu aangetoond dat de beweeglijkheid van ladingen langs bepaalde typen polymeren meer dan duizend maal hoger is dan eerder werd geobserveerd. De beweeglijkheid komt daarmee dicht in de buurt van conventionele halfgeleiders.
De onderzoekers hebben de beweeglijkheid van ladingen gemeten voor verschillende lengtes van het polymeer. De gemeten beweeglijkheid bleek sterk af te hangen van de lengte, zie figuur 2. Hoe langer de polymeerketen is, hoe hoger de beweeglijkheid van de ladingen is. Hieruit concludeerden ze dat de beweeglijkheid van ladingen langs een oneindig lange polymeerketen, die niet gehinderd wordt door de uiteinden van de keten, hoger is dan de gemeten waarden.
Vervolgens hebben de Delftenaren de beweging van ladingen langs de polymeerketens gemodelleerd. Door de berekende beweeglijkheid langs korte polymeerketens te vergelijken met de gemeten waarden en dit extrapoleren naar een oneindig lange keten, hebben ze de beweeglijkheid langs een oneindig lange polymeerketen bepaald.
Ladders en touwladders
De polymeren die de Delftenaren onderzochten hebben een structuur als een soort ladder. Deze polymeren hebben een stevige, starre 'wervelkolom' waarlangs ladingen ongehinderd kunnen bewegen. Ze bestudeerden ook polymeren die eerder vergeleken kunnen worden met een touwladder. Hierlangs verloopt de beweging van ladingen moeizamer. Dit komt omdat deze touwladderpolymeren flexibeler zijn dan de starre 'ladderpolymeren': ze kunnen bijvoorbeeld een ongeorganiseerde kluwen vormen en de spotjes van de touwladder kunnen ten opzichte van elkaar draaien. Al deze effecten zorgen voor wanorde en leiden ertoe dat de ladingen minder makkelijk langs het polymeer kunnen bewegen.
De resultaten vormen een belangrijke stap op weg naar het verbeteren van plastic elektronica. Bovendien is dit type polymeer een mogelijke kandidaat voor gebruik als verbindingsdraad in elektronica op moleculaire schaal. Hierdoor wordt het mogelijk elektronica te maken die een factor twintig kleiner is dan elektronica die met conventionele technieken en materialen gemaakt wordt. De onderzoekers gaan de resultaten gebruiken om polymeren te ontwerpen voor specifieke toepassingen.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met ir. Paulette Prins, Technische Universiteit Delft, telefoon: (015) 278 88 64 of prof.dr. Laurens Siebbeles, Technische Universiteit Delft, telefoon: (015) 278 18 00.