Je leest:

Ladderpolymeren geleiden uitstekend

Ladderpolymeren geleiden uitstekend

Auteur: | 20 april 2006

Onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft zagen in ‘laddervormige’ polymeren de ladingen meer dan duizend maal makkelijker bewegen dan tot nu toe in geleidende kunststoffen was waargenomen. De resultaten vormen een belangrijke stap op weg naar het verbeteren van plastic elektronica.

In bepaalde typen polymeren zijn de elektronen bijna net zo beweeglijk als in bekende halfgeleiders zoals silicium. Onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft zagen in ‘laddervormige’ polymeren de ladingen meer dan duizend maal makkelijker bewegen dan tot nu toe in geleidende kunststoffen was waargenomen. De resultaten vormen een belangrijke stap op weg naar het verbeteren van plastic elektronica. Bovendien is dit type polymeer een mogelijke kandidaat voor gebruik als verbindingsdraad in elektronica op moleculaire schaal. De Delftse onderzoeksresultaten staan in het belangrijke tijdschrift Physical Review Letters van 21 april.

Polymeren met geleidende eigenschappen zijn interessant vanwege hun beloften voor de productie van elektronische componenten zoals fotovoltaïsche cellen, diodes en transistoren. Die worden nu voor het overgrote deel uit conventionele halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide gemaakt. Daarvoor is een dure en gecompliceerde techniek nodig: fotolithografie. Toepassing van (half)geleidende polymeren zal volgens velen de kosten enorm omlaag brengen. Bovendien is van polymere materialen buigzame elektronica te maken, dat is bijvoorbeeld handig voor opvouwbare beeldschermen.

Polymeerdisplay op Philips’ Sensotec scheerapparaat

Een ander voordeel ligt in de schaal van het materiaal. Elektronische componenten worden steeds kleiner en men loopt langzamerhand tegen de grenzen van de fotolithografie aan. Organische elektronica biedt hier nieuwe mogelijkheden: een enkel molecuul is hier de kleinst mogelijke component. Dit is tenminste twintig keer kleiner dan de kleinste structuren die met fotolithografie gemaakt kunnen worden.

De bouwsteen voor ladder-PPP ofwel laddervorming poly(parafenyl); een van de types polymeren die de onderzoekers bestudeerden. Polymeren met deze bouwsteen als repeterende eenheid hebben een stevige, starre ‘wervelkolom’. Hierlangs kunnen ladingen ongehinderd bewegen. Beeld: Stichting FOM

Ladders en touwladders

Goed-werkende elektronica staat of valt met de beweeglijkheid van de ladingen door het materiaal. Tot nu toe moesten wetenschappers vaststellen dat ladingen in polymeren zo’n duizendmaal minder makkelijk bewegen dan in de conventionele halfgeleiders. Onderzoekers van de sectie Opto-elektronische Materialen van DelftChemTech (Technische Universiteit Delft) ontdekten dat dit niet het geval is in bepaalde polymeren die een structuur hebben als een soort ladder. Deze ladder-PPP polymeren (PPP staat voor de Engelse chemische naam polyparaphenylene) hebben een stevige, starre ‘wervelkolom’ waarlangs ladingen ongehinderd kunnen bewegen.

De ladderketens in verschillende representaties. Beeld: TU Delft

Promovenda ir. Paulette Prins bepaalde in de groep van prof.dr Laurens Siebbeles de beweeglijkheid van ladingen voor verschillende lengtes van het polymeer. Daarvoor bestraalde ze verdunde oplossingen van het polymeer met zeer snelle elektronen waarna met microgolven de elektrische eigenschappen van de polymeerketens werd gemeten. Het resultaat bleek sterk af te hangen van de lengte (zoals weergegeven in de figuur): hoe langer de polymeerketen, hoe hoger de beweeglijkheid van de ladingen.

De grafiek toont de beweeglijkheid van ladingen langs polymeren met de ladderstructuur (zie vorige illustratie). De bestudeerde polymeren hebben een verschillende lengte, van onder naar boven respectievelijk 13, 16, 35 en 54 eenheden. Goed te zien is dat de beweeglijkheid van ladingen toeneemt met de lengte van de polymeerketens. Beeld: Stichting FOM

De Delftenaren hebben de beweging van ladingen langs de polymeerketens vervolgens ook gemodelleerd. Aan de hand daarvan konden ze de experimenteel gemeten waarden extrapoleren naar polymeerketens met een oneindige lengte. Die (niet direct te meten) beweeglijkheid van ladingen in de ‘bulk’ van het polymeermateriaal, waar geen sprake is van beperkingen door de uiteinden van de keten, blijkt verrassend hoog.

De onderzoekers bekeken overigens ook polymeren die eerder vergeleken kunnen worden met een touwladder. Daar blijkt de beweging van ladingen een stuk moeizamer te verlopen. Dit komt omdat deze touwladderpolymeren flexibeler zijn dan de starre ‘ladderpolymeren’: ze kunnen bijvoorbeeld een ongeorganiseerde kluwen vormen en de sportjes van de touwladder kunnen ten opzichte van elkaar draaien. Al deze effecten zorgen voor wanorde en leiden ertoe dat de ladingen minder makkelijk langs het polymeer kunnen bewegen.

Factor twintig

De resultaten vormen volgens de onderzoekers een belangrijke stap op weg naar het verbeteren van plastic elektronica. Bovendien is dit type polymeer een mogelijke kandidaat voor gebruik als verbindingsdraad in elektronica op moleculaire schaal. Hierdoor wordt het mogelijk elektronica te maken die een factor twintig kleiner is dan elektronica die met conventionele technieken en materialen gemaakt wordt. De onderzoekers gaan de resultaten gebruiken om polymeren te ontwerpen voor specifieke toepassingen.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 april 2006
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.