En ny teori til at beskrive konjugerede polymer-polyelektrolytblandinger

LiU-forsker Klas Tybrandt har udviklet en teoretisk model, der forklarer koblingen mellem ioner og elektroner i den meget brugte ledende polymer PEDOT:PSS. Modellen kunne have applikationer i trykt elektronik, energilagring i papir, og bioelektronik.

Et af de mest brugte materialer i organisk elektronik er den ledende polymer PEDOT:PSS, emnet for titusindvis af videnskabelige artikler. En af de store fordele ved PEDOT:PSS er, at den leder både ioner og elektroner, men forskerne manglede en model, der forklarer, hvordan dette fungerer.

Klas Tybrandt, hovedefterforsker i Soft Electronics-gruppen ved Laboratory of Organic Electronics, Campus Norrköping, har udviklet en sådan teoretisk model for samspillet mellem ioner og elektroner, der forklarer, hvordan iontransport og elektrontransport hænger sammen. Modellen er blevet publiceret i det prestigefyldte tidsskrift Videnskabens fremskridt .

"Klassiske elektrokemiske modeller er hovedsageligt blevet brugt i fortiden til denne type systemer, og dette har ført til en vis grad af forvirring, da modellerne ikke inkluderer egenskaberne for halvledere. Vi har brugt en rent fysisk beskrivelse, der præciserer begreberne, siger Klas Tybrandt.

Materialet er en blanding af en halvledende polymer og en polymer, der leder ioner. De to faser blandes ned til nanometerskalaen, og selv en tynd film indeholder et stort antal grænseflader. Ved kontaktfladen mellem den elektroniske og den ioniske fase, hvad der er kendt som et "elektrisk dobbeltlag" dannes, hvilket betyder, at der her opbygges en ladningsadskillelse mellem ioner og elektroner.

"Vi har kombineret halvlederfysik med en teori for elektrolytter og elektriske dobbeltlag, og vi har kunnet beskrive materialets egenskaber på et teoretisk grundlag. Vi har også eksperimentelle resultater, der viser, at modellen stemmer overens med laboratoriemålinger, siger Klas Tybrandt.

PEDOT:PSS er et af flere polymermaterialer, der virker på samme måde. Øget forståelse af materialet og dets unikke egenskaber er et stort fremskridt for forskere inden for flere områder af organisk elektronik. Et sådant område er trykt elektronik, hvor det nu er muligt at beregne og optimere ydeevnen af ​​elektrokrome displays og transistorer.

Et andet område, der nyder godt af den nye model, er bioelektronik. Her, materialer, der leder både ioner og elektroner, er særligt interessante, da de kan koble kroppens ionledende systemer med de elektroniske kredsløb i, for eksempel, sensorer. "Vi kan optimere applikationerne på en helt ny måde, nu hvor vi forstår, hvordan disse materialer fungerer, siger Klas Tybrandt.

Et tredje område er lagring af energi i papir, et felt, hvor LiU-forskere er førende i verden. "Forståelse af kompleksiteten af ​​disse polymerer giver os mulighed for at udvikle og optimere teknologien. Dette vil være et af områderne for det nyåbnede Wallenberg Wood Science Center, siger Klas Tybrandt.