Upptäckten att även organiska material kan göras strömförande gjordes i början av 1970-talet. Framgångarna ledde så småningom till att de tre upptäckarna fick motta Nobelpriset i kemi år 2000. Idag har den organiska elektroniken tagit steget in i vardagen. Den ersätter redan traditionell teknik i telefonens skärm, och öppnar för nya former av solceller och lysdioder, LED.

Wallenberg Scholar Feng Gao har sedan starten av sin karriär arbetat med att utveckla sätt som ytterligare kan bredda användningen av organisk elektronik.

– För att kunna utveckla elektroniska komponenter med organiska material måste vi hitta sätt att ge dessa kolbaserade material liknande egenskaper som traditionella oorganiska halvledare, säger Feng Gao, professor i optoelektronik. 

Dopar organiska material

Men även om organiska material kan bli strömförande så leder de inte elektricitet särskilt väl. För en bredare användning i elektroniska komponenter måste materialen ges en betydligt bättre ledningsförmåga.

Doping är ett sätt att tillsätta andra ämnen i ett material för att skapa ett överskott eller underskott av elektroner. Metoden ger en kraftigt förbättrad ledningsförmåga. Doping har länge använts i traditionella oorganiska halvledare. Till exempel dopas kisel, ryggraden i modern elektronik, med fosfor eller arsenik.

Det finns två typer av doping där det ena innebär att skapa ett underskott av elektroner: p-doping. Den metoden har länge använts framgångsrikt även inom organiska material. Men att skapa ett överskott av elektroner, n-doping, har visat sig vara betydligt svårare när det gäller de kolvätebaserade organiska materialen.

– N-doping har visat sig vara mycket utmanande inom organiska halvledare. Ämnena som används för n-dopning påverkas lätt av syret i luften vilket ger mycket instabila material.

För att fullt ut kunna efterlikna traditionella halvledare så krävs bättre sätt att både p-dopa och n-dopa organiska material. Forskning kring detta har varit intensiv de senaste decennierna. Nu har Feng Gao funnit en möjlig väg framåt.

– Vår idé bygger på att tillföra ett tredje material under dopingprocessen. Detta tredje material kan ge mer stabilitet och även göra det möjligt att styra processen bättre. Dessutom kan det skydda dopningsmedlet från att oxidera.

Från energiproduktion till neuromorf teknik

Sättet som forskarna tillfört ett tredje ämne kan liknas vid att använda en katalysator. Feng Gaos forskargrupp har redan lyckats inom p-doping och där använde forskarna en form av organiskt salt. När de första försöken görs med n-doping används en liknande metod, men med en mer utvecklad design av molekylerna.

Organiska material är lätta, flexibla och kan tillverkas på samma sätt som bläck trycks på papper. Effektivare dopingmetoder öppnar för nya generationer av mer miljövänliga, och hållbara solceller och lysdioder.

För mig handlar forskningen om att hitta svar på frågor som människor ännu inte riktigt har förstått, och att bidra med nya lösningar. Den drivkraften ligger bakom mycket av mitt arbete.

– Om vi lyckas kan de första applikationerna för materialet bli nya sätt att konvertera energi, som solceller och även lysdioder. Men vi hoppas även dra nytta av materialet för att skapa neuromorfa kretsar.

Neuromorfa kretsar är form av elektronik inspirerad av hjärnans sätt att hantera information. Ett av målen är att bygga snabbare och mer energieffektiva system. Eftersom organiska material efterliknar vår egen biologi är de väl lämpade för olika neuromorfa medicinska tillämpningar som hjärnimplantat och biosensorer.

– För att lyckas med neuromorfa applikationer kommer vi att samarbeta med kollegor i Norrköping som har tagit viktiga steg inom området. Men först måste vi kunna visa att vårt sätt att n-dopa organiska material kan lyckas, säger han.

Från Cambridge till Linköping

Feng Gao doktorerade vid Cambridge i England. Där fick han kontakt med Olle Inganäs, i dag professor emeritus vid Linköpings universitet. Inganäs gjorde mycket tidigt stora framsteg inom området organiska solceller.

– Efter min avhandling var klar tog jag kontakt med Olle för en tjänst som postdoktor. Då hade han själv fått anslaget Wallenberg Scholar och kunde tack vare det erbjuda mig en plats i Linköping.

Men Feng Gao gruvade sig för att flytta till det kyliga Sverige. Först planerade han att stanna högst ett par år. Nu har det gått mer än tio år sedan flytten och han har rotat sig med familj och barn. Professor blev han år 2020 och han har drivit ett flertal internationella projekt, bland annat för att utveckla nya material till solceller. 

Men yrket som forskare var inget han drömde om som barn. Först under studierna växte en allt större hunger efter mer kunskap.

– Bland de bästa sakerna med akademin är att du ständigt uppmuntras att tänja på gränserna, utforska nya områden och lösa fler utmaningar. Även inom fält som kan vara helt nya för dig, säger Feng Gao.

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström