Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Studien 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 i ett pressmeddelande.

Halvledare som är baserade på ledande plaster i stället för kisel har många potentiella användningsområden, menar forskarna. 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.

Forskarna vid Linköpings universitet har nu 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, förklarar 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.

Simone Fabiano säger att man nu befinner sig i inledningen av att försöka förstå mekanismen bakom fullt ut och vilka andra potentiella användningsområden som finns.