Paint-on plastikelektronik:Justerer polymerer for høj ydeevne

Halvledende polymerer er en uregerlig flok, men University of Michigan ingeniører har udviklet en ny metode til at få dem på linje, der kan bane vejen for billigere, grønnere, "paint-on" plastikelektronik.

"Dette er for første gang et tyndt lag, dirigerer, højt justeret film for høj ydeevne, kan males, direkte skrivbar plastikelektronik, " sagde Jinsang Kim, U-M professor i materialevidenskab og teknik, der ledede forskningen offentliggjort i Naturmaterialer .

Halvledere er nøgleingrediensen til computerprocessorer, solceller og LED-skærme, men de er dyre. Uorganiske halvledere som silicium kræver høje temperaturer på over 2, 000 grader Fahrenheit og dyre vakuumsystemer til forarbejdning til elektronik, men organiske og plastiske halvledere kan fremstilles på en grundlæggende laboratoriebænk.

Problemet er, at ladeselskaber, som elektroner, kan ikke bevæge sig gennem plast nær så let, som de kan bevæge sig gennem uorganiske halvledere, sagde Kim. En del af grunden til dette er, fordi hvert halvledende polymermolekyle er som en kort ledning, og disse ledninger er tilfældigt arrangeret.

"Ladningsmobilitet langs polymerkæderne er meget hurtigere end mellem polymererne, " sagde Kim.

For at drage fordel af den gode ledning langs polymererne, forskningsgrupper har forsøgt at tilpasse dem til en afgiftsbærende motorvej, men det er lidt ligesom at prøve at arrangere nanoskopisk linguine.

Kims gruppe nærmede sig problemet ved at lave smartere halvledende polymerer. De ønskede en flydende polymeropløsning, de kunne børste over en overflade, og molekylerne ville automatisk rette sig ind efter hinanden i slagets retning, samling til højtydende halvledende tyndtlagsfilm.

Først, de designede polymererne til at være glatte – almindelige polymerer glom sammen som flade nudler efterladt i køleskabet, sagde Kim. Ved at vælge polymerer med et naturligt twist, holdet forhindrede dem i at holde sig til hinanden i løsningen. Men for at justere under penselstrøget, de polymerer, der skal til for subtilt at tiltrække hinanden. Flade overflader ville gøre det, så holdet designede deres polymer til at vrides, efterhånden som opløsningsmidlet tørrede op.

De forhindrede de ujusterede polymerer i at danne store klumper ved at tilføje fleksible arme, der strækker sig ud til siderne af den flade, trådlignende polymer. Disse arme forhindrede for meget tæt kontakt mellem polymererne, mens armenes omfang forhindrede dem i at hænge fast i hinanden. Polymerer med disse egenskaber vil opstilles i retning af en påført kraft, såsom træk af en malerpensel.

"Det er et stort gennembrud, " sagde Kim. "Vi etablerede et komplet molekylært designprincip for halvledende polymerer med rettet justering kapacitet."

Og det virker. Holdet lavede molekyler, der matchede deres design, og byggede en enhed til at sprede polymeropløsningen over overflader som glas eller en fleksibel plastfilm. Kraften fra siliciumbladet, bevæger sig med en konstant hastighed hen over den flydende polymer, var nok til at justere molekylerne.

Holdet byggede derefter den halvledende film ind i en simpel transistor, en version af de elektroniske komponenter, der udgør computerprocessorer. Enheden demonstrerede vigtigheden af ​​polymerjusteringen ved at vise, at ladningsbærere bevægede sig 1, 000 gange hurtigere i retningen parallelt med siliciumbladets penselstrøg, end de gjorde, da de krydsede slagets retning.

"Ved at kombinere det etablerede molekylære designprincip med en polymer, der har en meget god indre ladningsbærermobilitet, vi tror på, at det vil gøre en kæmpe forskel inden for organisk elektronik, " sagde han. "Vi er i øjeblikket ved at udvikle en alsidig fremstillingsmetode for at realisere højtydende og malbar plastelektronik i forskellige længdeskalaer fra nanometer til meter."

Kim mener, at teknikken vil fungere lige så godt med pennespidser i atomskala eller store murske-lignende applikatorer til fremstilling af elektronik i alle størrelser såsom LED-skærme eller lysabsorberende belægninger til solceller.

Papiret har titlen "Et molekylært designprincip for lyotropiske flydende-krystallinske konjugerede polymerer med rettet tilpasningsevne til plastelektronik."