Zo maak je plastic elektronica zonder ladingsvallen

De belofte van goedkope massaproductie is een van de pluspunten van plastic elektronica. Maar plastic halfgeleiders hebben een groot nadeel: het materiaal bevat verontreinigingen die de stroom beïnvloeden doordat ze ladingen wegvangen. Er is weinig bekend over de precieze aard van deze ladingsvallen, die het rendement van plastic LEDs en zonnecellen vermindert. Maar nu laat een studie van een onderzoeksteam van de Rijksuniversiteit Groningen en Georgia Tech zien dat er een gemeenschappelijk mechanisme bestaat waardoor deze vallen ontstaan. Bovendien is er een theoretisch model opgesteld dat laat zien hoe plastic halfgeleiders zonder ladingsvallen ontworpen kunnen worden. De resultaten staan op 29 juli als voorpublicatie op de website van het tijdschrift Nature Materials.

Plastic halfgeleiders zijn gemaakt van op koolstof gebaseerde (organische) polymeren en zijn onder meer te gebruiken voor het maken van plastic LED-lampjes. In zo’n plastic LED worden via een elektrische spanning elektronen geïnjecteerd in een moleculaire orbitaal (dat is de baan van een elektron) op een hoger dan normaal energieniveau. Midden in de actieve laag van de LED gaan de elektronen van het hoge naar het normale energieniveau waarbij energie vrijkomt in de vorm van fotonen (lichtdeeltjes). Het energiebereik tussen beide niveaus heet de ‘energiekloof’ en bepaalt de kleur van het uitgezonden licht.

Knik

De elektronen in de LED kunnen echter tijdens hun transport door het halfgeleidermateriaal ook vast komen te zitten in een landingsval, waardoor ze niet meer voor de productie van licht kunnen zorgen. Bovendien neemt de elektronenstroom in het materiaal af, waardoor het gebied waar elektronen worden omgezet in fotonen niet meer precies in het midden van de LED laag ligt. ‘En daardoor neemt de lichtopbrengst van de LEDs af,’ legt Herman Nicolai uit, eerste auteur van het artikel in Nature Materials. Waar de ladingsvallen precies uit bestaan is niet exact bekend. Er is gesuggereerd dat ze ontstaan door knikken in de polymeerketens of onzuiverheden in het materiaal.

Verontreiniging

‘Om dit raadsel op te lossen hebben we de eigenschappen van ladingsvallen in negen verschillende polymeren onderzocht,’ zegt Nicolai. Uit die vergelijking bleek dat de vallen in alle materialen een zelfde energieniveau hebben. ‘Theoretische berekeningen laten zien dat dit energieniveau komt goed overeen met dat van een water-zuurstof complex. Zulke complexen zouden tijdens de productie van het halfgeleidermateriaal kunnen ontstaan, zelfs wanneer dat gebeurt onder een beschermende atmosfeer.’ Nicolai maakte de halfgeleiderschakelingen zelf in een stikstofatmosfeer. Maar zelfs dat kan niet voorkomen dat je een verontreiniging met minimale hoeveelheden van het water-zuurstof complex krijgt.

Vallen

Omdat de ladingsval in alle materialen ongeveer hetzelfde energieniveau heeft, is het nu mogelijk uit te rekenen welke elektronenstroom je kunt verwachten in allerlei verschillende organische polymeren. En het geeft ook aan hoe plastic halfgeleiders zonder ladingsvallen ontworpen kunnen worden. ‘De energie van de vallen ligt in de energiekloof,’ legt Nicolai uit. Die kloof is het verschil in energie tussen de buitenste schil waarin de elektronen normaal gesproken rondcirkelen en de hogere orbitaal waarin de elektronenstroom door het materiaal heen gaat. Wanneer een elektron uit die stroom een ladingsval tegenkomt, zal het erin vallen omdat het energieniveau in de val lager is. ‘Dus wanneer chemici een halfgeleidend polymeer kunnen maken waarvan de energie van de ladingsval boven die van de hogere orbitaal ligt, dan kunnen elektronen er niet in vallen.’ Want in dat geval is het energieniveau in de val hoger dan dat van het elektron.

Efficiëntere ontwerpen

De resultaten van het onderzoek zijn van belang voor zowel plastic LEDs als plastic zonnecellen. ‘In beide systemen wil je niet dat de elektronenstroom door de vallen afnemen. Met onze resultaten is het mogelijk efficiëntere ontwerpen te maken voor die systemen,’ besluit Nicolai.

Het experimentele deel van het beschreven onderzoek is uitgevoerd in het Zernike Institute for Advanced Materials, een onderzoeksinstituut van de faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen. Het theoretsiche werk om de oorpsprong van de ladingsval te identificeren is uitgevoerd aan de School of Chemistry and Biochemistry and Center for Organic Photonics and Electronics van het Georgia Institute of Technology in Atlanta (USA).

Contact:

Herman Nicolai, e-mail: herman.nicolai tno.nl, tel. 06-19500313.

Prof. dr. ir. P.W.M. Blom

Referentie: H. T. Nicolai¹, M. Kuik1, G. A. H.Wetzelaer¹, B. de Boer1, C. Campbell², C. Risko2, J. L. Brédas^2,4 and P.W. M. Blom^1,3* Unification of trap-limited electron transport in semiconducting polymers. Nature Materials, published online: 29 July 2012 | DOI: 10.1038/NMAT3384

1 Molecular Electronics, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG, Groningen, The Netherlands, 2 School of Chemistry and Biochemistry and Center for Organic Photonics and Electronics, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia 30332-0400, USA, 3 TNO/Holst Centre, High Tech Campus 31, 5605 KN Eindhoven, The Netherlands, 4 Department of Chemistry, King Abdulaziz University, Jeddah 21589, Saudi Arabia.

Zie ook: persbericht EurekAlert