žŁÀûŒ§

09 mars 2020

Genom att blanda två polymerer med olika egenskaper har en grupp forskare, under ledning av Simone Fabiano, forskningsledare vid Laboratoriet för organisk elektronik, fått fram ett organiskt material med superb ledningsförmåga, utan att det är dopat.

NÀrbild pÄ tvÄ pipetter, den ena droppar blÄtt blÀck och den andra rött. BlÀcket bildar en tvÄfÀrgad pöl.
Två lösningar varav den ena, den blå, är den polymer som donerar elektroner medan den röda är det material som tar upp elektroner. Inget av dem är ledande i sin grundform, när de blandas samman övergår elektroner automatiskt från den blå donatorpolymeren till den röda acceptor-polymeren. Resultatet är fria rörliga laddningar i båda polymererna.  Fotograf: THOR BALKHED
För att öka ledningsförmÄgan och dÀrmed fÄ högre effektivitet i organiska solceller, lysdioder eller olika bioelektroniska applikationer har forskarna hittills dopat materialen med olika Àmnen. Det hÀr görs vanligen genom att antingen ta bort en elektron eller donera den till ett halvledande material som har en lÀmplig dopningsmolekyl, bÄda varianterna ökar antalet laddningar och dÀrmed ocksÄ materialets ledningsförmÄga.

– Normalt dopar vi de organiska polymererna för att förbĂ€ttra deras ledningsförmĂ„ga och öka effektiviteten. Processen Ă€r stabil under en tid men materialet degenererar och de Ă€mnen vi dopar med kan sĂ„ smĂ„ningom lĂ€cka ut. Det Ă€r nĂ„got vi till varje pris vill undvika inom exempelvis bioelektroniken dĂ€r den organiska elektroniken kan göra stor nytta i bĂ€rbar elektronik och Ă€ven inne i kroppen, sĂ€ger Simone Fabiano, forskningsledare inom Organisk nanoelektronik, vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.

Perfekt anpassade energinivÄer

Forskargruppen, med forskare frÄn fem lÀnder, har nu lyckats kombinera tvÄ polymerer som tillsammans ger ett ledande blÀck som inte krÀver nÄgon dopning för att leda elektricitet. EnerginivÄerna i de bÄda materialen Àr perfekt anpassade till varandra vilket innebÀr att laddningar spontant förflyttar sig frÄn den ena polymeren till den andra.
Resultatet av arbetet har publicerats i Nature Materials.

– Fenomenet med spontan laddningstransport har visats tidigare, men dĂ„ har det handlat om enskilda kristaller i laboratoriemiljö och inget som Ă€r möjligt att utföra i industriell skala. Polymerer bestĂ„r av stora och stabila molekyler som Ă€r enkla att fĂ„ fram ut en lösning och de Ă€r dĂ€rför vĂ€l lĂ€mpade för storskalig anvĂ€ndning som blĂ€ck för tryckt elektronik, sĂ€ger Simone Fabiano.

Polymerer Àr enkla och förhÄllandevis billiga material och de finns att köpa pÄ en kommersiell marknad. Den nya polymerblandningen lÀcker inte ut nÄgra frÀmmande Àmnen, den Àr stabilt över lÄng tid och klarar hög vÀrme, inte minst viktigt i applikationer dÀr man vill skörda eller lagra energi eller för bÀrbar elektronik.

– I och med att de Ă€r dopningsfria Ă€r de ocksĂ„ stabila och kan anvĂ€ndas överallt dĂ€r det krĂ€vs stabilitet över tid. Att vi hittat det hĂ€r fenomenet öppnar helt nya möjligheter att förbĂ€ttra prestandan i lysdioder och solceller, liksom i andra termoelektriska applikationer, och inte minst för forskning inom bĂ€rbar och kroppsnĂ€ra elektronik, sĂ€ger Simone Fabiano.

Nytt kapitel för forskningen

– Vi har engagerat forskare vid LiU och Chalmers liksom experter i USA, Tyskland, Japan och Kina. Det har verkligen varit roligt att leda det hĂ€r arbetet som Ă€r ett stort och viktigt steg inom omrĂ„det, sĂ€ger han.

Forskningen har i huvudsak finansierats via VetenskapsrÄdet och Wallenberg Wood Science Center samt Àven drivits inom ramen för den strategiska satsningen pÄ avancerad funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

– För att öka ledningsförmĂ„gan i ledande polymerer har den enda möjligheten hittills varit att dopa dem genom att kombinera en ledande polymer med en annan polymer som inte Ă€r ledande. För första gĂ„ngen har nu en kombination av tvĂ„ ledande polymerer resulterat i ett system som Ă€r bĂ„de stabilt och ger i en hög ledningsförmĂ„ga. UpptĂ€ckten inleder ett helt nytt kapitel för forskningen kring ledande polymerer, den Ă€r av stort intresse vĂ€rlden över och kommer att leda till mĂ„nga nya applikationer, sĂ€ger Magnus Berggren, professor och förestĂ„ndare för Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.

Ground-state electron transfer in all-polymer donor-acceptor heterojunctions,
Kai Xu, Hengda Sun, Tero-Petri Ruoko, Gang Wang, Renee Kroon, Nagesh B. Kolhe, Yuttapoom Puttisong, Xianjie Liu, Daniele Fazzi, Koki Shibata, Chi-Yuan Yang, Ning Sun, Gustav Persson, Andrew B. Yankovich, Eva Olsson, Hiroyuki Yoshida, Weimin M. Chen, Mats Fahlman, Martijn Kemerink, Samson A. Jenekhe, Christian Müller, Magnus Berggren, Simone Fabiano. Nature Materials 2020, doi 10.1038/s41563-020-0618-7

Fler forskningsnyheter från LOE

Forskare med blÄ plasthandskar vid mikroskop.

Nervceller av plast blir mer avancerade – och enklare

En artificiell nervcell gjord av ledande plast som kan ha avancerade funktioner liknande de hos en biologisk nervcell har utvecklats av forskare vid LiU. Resultaten banar väg för en ny typ av kroppsnära sensorteknik, medicinska implantat och robotik.

Excellenscenter stärker LiU:s forskning

En satsning på fyra framstående forskningsmiljöer, Centers of Excellence, ska ge långsiktig utveckling, förbättrad kvalitet och fördjupad samverkan för LiU.

TvÄ forskare i renrummet.

Stort steg för platt och justerbar optik

Genom att noga placera nanostrukturer på en plan yta har forskare vid LiU markant förbättrat prestandan för så kallade optiska metaytor i ledande plast. Det är ett stort steg för reglerbar platt optik.

Forskning

Senaste nytt från LiU

Jendrik Seipp.

Forskning om nästa generations AI-planering får 15 miljoner

LiU-forskaren Jendrik Seipp har fått 15 miljoner kronor för att utveckla ett AI-planeringssystem som utnyttjar flerkärniga processorer för parallella beräkningar. Det skulle kunna leda till mer effektiv logistik och storskalig energioptimering.

Kvinna vid ett trÀd tittar in i kameran.

Pappersindustrin kan bli energismartare med ny mätmetod

Pappersindustrin slukar stora mängder energi. Men trots skärpta EU-krav på effektivisering har det inte funnits något sätt att jämföra energianvändning mellan olika företag. Nu presenterar forskare vid LiU i samarbete med Naturvårdsverket en lösning.

Forskare i labb.

Två nya masterprogram i världsledande materialvetenskap

Linköpings universitet är bland de främsta i världen på materialvetenskap. Hösten 2026 startar två nya masterprogram inom området. En mycket god arbetsmarknad väntar studenterna, både i industrin och akademin.