Organiska halvledare kan lägga grunden för en revolution, ekonomiskt och hållbarhetsmässigt. Men för att det ska lyckas behöver tillverkningsprocessen vara enkel, och stabiliteten hög. Den utmaningen hoppas svenska forskare lösa – med mer kaos.
Projektanslag 2022
Stable doping of organic semiconductors
Huvudsökande:
Christian Müller, professor
Medsökande:
Chalmers tekniska högskola
Anna Martinelli
Eva Olsson
Linköpings universitet
Simone Fabiano
Mats Fahlman
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
27 miljoner kronor under fem år
Halvledare, material vars ledningsförmåga kan styras, är ett bärande inslag i modern elektronik. De vanligaste halvledarmaterialen är föreningar med kisel eller germanium, men på senare år har även organiska halvledare vunnit mark. Det är exempelvis färgämnen eller polymerer som kan bli ledande under rätt omständigheter. Ett exempel är de så kallade OLED-skärmarna, där bokstaven O står för just ”organiska”. Organiska halvledare har flera fördelar framför de traditionella. Materialen är lätta att bearbeta och förändra, och tillverkningen kräver mindre energi och skulle kunna bli mer miljövänlig.
– Det finns oändliga möjligheter att syntetisera organiska halvledare med olika optiska, elektriska och kemiska egenskaper. Dessutom är de, till skillnad från exempelvis kisel, bra på att leda både elektroner och joner. Eftersom våra egna kroppar använder båda processerna så är det här ett fantastiskt sätt att koppla samman elektronik och biologiska system, säger Christian Müller.
Han är professor i polymerteknologi vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg. Med stöd från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse leder han ett projekt där forskare ska söka nya sätt att göra organiska halvledarmaterial.
Behöver vara både stabilt och formbart
Stabilitet är en viktig utmaning i dag. Halvledarmaterialens molekyler måste gå att dra isär för att materialet ska kunna designas så som man vill. Sedan ska de ”låsas fast” relativt varandra när de väl är på plats i någon typ av elektronik, så att den blir stabil och får en pålitlig funktion.
– Man kan jämföra med läkemedel. En tablett behöver vara stabil i många år på apoteket, men kunna lösa upp sig så fort vi äter den. Vi behöver åstadkomma samma process fast åt andra hållet. Våra material ska gå från lösningstillståndet till något som är jättefast, säger Christian Müller.
Hittills har det mest kommersiellt framgångsrika varit att tillverka organiska halvledarmaterial genom förångning av molekyler som stelnar till en stabil, glasliknande film. Parallellt med det experimenterar man inom branschen med en annan metod där molekylerna i stället blandas i ett lösningsmedel till ett slags bläck som kan printas. Tillverkningsprocessen blir enklare, men tyvärr blir den printade filmen inte lika stabil som den förångade.
I det pågående projektet vill forskarna vid Chalmers och Linköpings universitet hitta sätt att förbättra molekylblandningens förmåga att bilda just en glasliknande struktur. Skälet är att glasbildande material förblir stabila länge. De flesta material i fast fas innehåller små kristaller – atomer eller molekyler i bestämda mönster – och kan skifta form med tiden, men glas har i fast fas en oordnad struktur som i bästa fall bara förändras mycket sakta, över många år.
Ett nytt verktyg för att skapa elektronik
Forskarna utgår från ett tidigare projekt kring glasbildande material. Där laborerade man med det grundläggande konceptet entropi, att varje system i naturen försöker att nå ett tillstånd av största möjliga oordning. Kunde det gå att tvinga ett material till det tillståndet?
– Vi började fundera på om det kunde gå att skapa jättemycket oordning och på så sätt få fram ett material som inte ändrar sig, säger Christian Müller.
Det fungerade. Genom att stegvis blanda fler och fler olika molekyler i ett organiskt material nådde forskarna en oordnad struktur som blev helt fast. De hade skapat ett superstabilt glas, där molekylerna samtidigt inte var hårdare bundna till varandra än att de skulle kunna lösas upp och materialet återanvändas.
Nu ska forskarna koppla ihop de resultaten med bland annat olika metoder för dopning, när man ger ett halvledarmaterial önskade elektriska egenskaper genom att blanda in små mängder av olika ämnen i det.
– Nu när vi har lärt oss att vi kan åstadkomma stabilitet genom att skapa oordning, har vi ett verktyg för att förbättra elektroniska material. Det är jättespännande, säger Christian Müller.
Hållbarheten med från början
Slutligen gäller det att ta reda på om det faktiskt är möjligt att med de nya metoderna skapa fungerande och hållbar elektronik. Till en början kommer forskarna att arbeta med termoelektriska komponenter, som omvandlar värme till elektricitet, och elektrokemiska transistorer, som kan fungera som sensorer eller styrelement inuti en levande kropp eller växt.
Forskargrupperna i projektet kompletterar varandra. En grupp med expertis inom elektronmikroskopi spårar dopningsmolekylerna och följer deras förflyttning inom halvledarna, en annan analyserar glasbildningen med bland annat infraröd spektroskopi, medan en tredje undersöker förändringar i materialens energitillstånd med hjälp av synkrotronljuset i forskningsanläggningen MAX IV.
När forskarna planerade projektet var de noga med att ha hållbarhetsaspekter med redan från start, berättar Christian Müller.
– Det har länge varit så i både den akademiska forskningen och industrin att problem uppstår, och så måste man finna en lösning, och så kommer ett nytt problem, en ny lösning... Vi hoppas att vi i stället ska lyckas lösa flera problem redan från början.
Text Lisa Kirsebom
Bild Johan Wingborg
