Grafen gör att laddning transporteras mer effektivt genom halvledande polymer
Det nya supertunna materialet grafen har fantastiska egenskaper, till exempel böjlighet och hög ledningsförmåga. I en studie av ett internationellt forskarteam lett av David Barbero, forskare i fysik vid Umeå universitet, visas att halvledande polymerer placerade på ett lager grafen transporterar elektrisk laddning mycket effektivare än om de läggs på ett substrat av kisel.
– Kristalliniteten hos de halvledande polymererna förändras när de placeras på ett substrat av grafen jämfört när de placeras på kisel, säger David Barbero. Det påverkar starkt materialens elektroniska egenskaper. Grafen förstärker laddningstransporten genom polymerfilmen, vilket gör det möjligt att tillverka mer effektiv elektronik, till exempel organiska solceller och OLEDs, organiska ljusemitterande dioder.
Grafen är ett endast en atom tjockt skikt av kolatomer. Grafen är starkare än stål, men ändå lätt och flexibelt och kan få elektroner att färdas blixtsnabbt. Därför är materialet högintressant som komponent i allt från böjbara solceller till avancerade batterier.
I den aktuella studien studerade forskarna med synkotronröntgendiffraktion hur kristaller bildades i en tunn film av en polymer (plast) ovanpå ett lager grafen, jämfört med polymerfilm på ett kiselsubstrat. Röntgendiffraktionen genomfördes vid National Synchotron Laboratory vid Stanforduniversitetet i USA. Grafenlagren producerades vid McGilluniversitetet i Kanada, medan de ultratunna polymererna producerades i David Barberos laboratorium på Umeå universitet. Där gjordes också mätningar av deras elektroniska egenskaper.
Resultaten, som publicerats i tidskriften Advanced Functional Materials, visar att polymer på grafen ger en starkare vertikal laddningstransport än på kisel. Ett mer överraskande resultat av studien var att laddningsbärarförmågan hos en tjockare polymerfilm (50 nanometer) på ett grafenskikt var cirka 50 gånger högre än med en ultratunn polymerfilm (10 nanometer).
Noggranna studier av kristalliniteten hos de olika lagren avslöjade att den ultratunna polymerfilmen formade sig i raka, platta skikt, medan den tjockare filmen bestod av en mosaik av skikt riktade i olika vinklar mot grafenskiktet. Mosaikformade kristaller tycks leda till en mer effektiv vertikal laddningstransport och laddningsbärarförmåga.
– Resultaten ger bättre förståelse för kristalliseringen hos halvledande polymerer placerade på grafen och bör vara till hjälp i designen av mer effektiva grafenbaserade organiska apparater genom att kontrollera kristalliniteten hos den halvledande filmen, säger David Barbero.
FAKTA
Originalartikel: Vasyl Skrypnychuk, Nicolas Boulanger, Victor Yu, Michael Hilke, Stefan C. B. Mannsfeld, Michael F. Toney och David R. Barbero: Enhanced Vertical Charge Transport in a Semiconducting P3HT Thin Film on Single Layer Graphene, Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201403418, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201403418/full
