Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Halvledare är grunden i all modern elektronik. Nu har forskare vid Linköpings universitet utvecklat en ny metod där organiska halvledare kan bli mer ledande med hjälp av luft som så kallat störämne. Studien, publicerad i Nature, är enligt forskarna ett stort steg mot framtidens billiga och hållbara organiska halvledare.

– Vi tror att den här metoden verkligen kan förändra sättet vi dopar organiska halvledare. Alla beståndsdelar är billiga, lättillgängliga och potentiellt miljövänliga vilket är en förutsättning för framtidens hållbara elektronik, säger Simone Fabiano, biträdande professor vid Linköpings universitet.

Halvledare som är baserade på ledande plaster i stället för kisel har många potentiella användningsområden. Bland annat kan de organiska halvledarna användas i digitala skärmar, solceller, lysdioder, sensorer, implantat och för energilagring.

För att förbättra ledningsförmågan och ändra egenskaperna hos halvledare tillsätts oftast så kallade störämnen, det kallas för att materialet dopas. Tack vare störämnena kan en elektrisk laddning enklare föras vidare i materialet som antingen kan dopas för att föra vidare positiva (p-dopning) eller negativa (n-dopning) laddningar. De vanligaste störämnena som används idag är ofta antingen väldigt reaktiva, dyra, krångliga att tillverka eller alla tre.

Nu har forskare vid Linköpings universitet utvecklat en dopningsmetod som kan utföras i rumstemperatur där ineffektiva störämnen som syre används för att dopa materialet och ljus aktiverar dopningsprocessen.

– Vi har varit inspirerade av naturen och det finns många liknelser med till exempel fotosyntesen. I vår metod aktiverar ljuset en fotokatalysator som sätter i gång en elektrontransport från ett typiskt ineffektivt störämne in i det organiska halvledarmaterialet, säger Simone Fabiano.

Den nya metoden går ut på att den ledande plasten doppas i en särskild saltlösning – en fotokatalysator – för att sedan belysas med ljus under en kort tid. Hur länge plasten blir belyst avgör till vilken grad materialet dops. Sedan sköljs lösningen av och samlas in för framtida bruk och kvar är en p-dopad ledande plast där det enda ämnet som har förbrukas är syret i luften.

Detta är möjligt tack vare att fotokatalysatorn fungerar som en ”elektronskyttel” som tar och avger elektroner hos materialet i närheten av svaga oxidations- eller reduktionsämnen. Detta är vanligt förekommande inom kemin men har inte använts inom organisk elektronik tidigare.

– Det går också att kombinera p-dopning och n-dopning i samma reaktion vilket är unikt. Det förenklar tillverkningen av elektronik, speciellt där både p- och n-dopade halvledare är nödvändiga, som termoelektriska generatorer, säger Simone Fabiano.

Det innebär att det går att tillverka alla komponenter på en gång och dopa dem samtidigt vilket gör att processen går att skala upp. Dessutom har den dopade organiska halvledaren bättre ledningsförmåga än traditionella halvledare. Simone Fabiano och hans forskargrupp vid Laboratoriet för organisk elektronik visade tidigare under 2024 hur den ledande plasten kan framställas på ett miljövänligt sätt och det här är nästa steg.

– Vi är i inledningen av att försöka förstå mekanismen bakom fullt ut och vilka andra potentiella användningsområden som finns. Men det är ett väldigt lovande angreppssätt och visar att fotokatalytisk dopning är en ny grundbult inom organisk elektronik, säger Simone Fabiano som är Wallenberg Academy Fellow.

Forskningen finansierades av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Wallenberg Wood Science Centre, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability, Vetenskapsrådet, Olle Engkvists stiftelse, Europeiska kommissionen samt via den svenska regeringens strategiska forskningsområde inom avancerade funktionella materiel, AFM, vid Linköpings universitet. Wenlong Jin, Chi-Yuan Yang och Simone Fabiano har ansökt om patent baserat på arbetet i studien och de två senare är grundare av n-Ink AB, ett avknoppningsföretag från LiU.

Artikeln: Photocatalytic doping of organic semiconductors, Wenlong Jin, Chi-Yuan Yang, Riccardo Pau, Qingqing Wang, Eelco K. Tekelenburg, Han-Yan Wu, Ziang Wu, Sang Young Jeong, Federico Pitzalis, Tiefeng Liu, Qiao He, Qifan Li, Jun-Da Huang, Renee Kroon, Martin Heeney, Han Young Woo, Andrea Mura, Alessandro Motta, Antonio Facchetti, Mats Fahlman, Maria Antonietta Loi, Simone Fabiano. Nature 2024, publicerad online 15 maj 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07400-5

Kontakt

Simone Fabiano, biträdande professor, simone.fabiano@liu.se, 011-36 36 33