Al sinds de jaren ‘70 wordt er onderzoek gedaan naar halfgeleidende polymeren (plastic elektronica), maar pas de laatste paar jaar beginnen de eerste producten op de markt te komen. Een veel aangehaald voorbeeld is het display dat op de nieuwe generatie Sensotec scheerapparaten van Philips de batterijfunctie aangeeft. Hoewel direct uitverkoren door James Bond in zijn laatste film gaat het hier om een zeer bescheiden toepassing. De echte toekomst van de polymere displays ligt in de markt van de beeldschermen voor TV’s en computers.

Displays gebaseerd op de zogenaamde OLED-technologie (OLED = organic light emitting diode) hebben vele voordelen ten opzichte van bestaande technologieën als de ‘ouderwetse’ beeldbuismonitor CRT (cathode ray tube) maar ook de platte LCD beeldschermen (liquid crystal display) en plasmaschermen. OLED displays zijn in principe goedkoper, energiezuiniger, hebben een grotere beeldhoek, grotere helderheid, beter contrast, grotere schakelsnelheid, ze zijn platter en bovendien zijn ze ook nog eens flexibel.

Kathode met lange levensduur

De kunst is nu wel om het principe in de praktijk te brengen. Dat lukt nog niet al te best; er valt nog wel het een en ander aan de huidige generatie OLEDs te verbeteren. Bijvoorbeeld de kathode, die zorgt voor het injecteren van elektronen in het licht-uitzendende organische materiaal. Dit gebeurt efficiënt als uit het kathodemateriaal gemakkelijk elektronen zijn vrij te maken. Techneuten spreken dan van een ‘lage werkfunctie’. Het probleem van materialen met een lage werkfunctie is echter dat ze tamelijk reactief zijn, wat weer leidt tot een beperkte levensduur. Een optimaal kathodemateriaal koppelt een late werkfunctie aan een lange levensduur.

Matthé Uijttewaal (FOM), Gilles de Wijs (Radboud Universiteit Nijmegen) en Rob de Groot (FOM) hebben nu in samenwerking met onderzoekers van Philips in Aken en Eindhoven een klasse verbindingen ontdekt die geschikt zijn als kathodemateriaal. Ze verenigen gemakkelijk vrij te maken elektronen met een stabiel kristaloppervlak, een combinatie die tot op heden voor onmogelijk werd gehouden.

Naar de prullenbak

De opvallende vinding is het resultaat van theoretisch onderzoek naar de kristalstructuren van kathodematerialen, waarbij duidelijk werd dat een veelgebruikte model (dat van Smoluchowski, al in 1940 ontwikkeld) naar de prullenbak kan. Het model beschrijft hoe voor verschillend georiënteerde oppervlakken van een kristal de energie (een maat voor de stabiliteit) samenhangt met de werkfunctie (de mate waarin elektronen zijn vrij te maken). Smoluchowski komt tot de conclusie dat stabiele oppervlakken met een lage werkfunctie niet kunnen bestaan. Dit blijkt inderdaad op te gaan voor de metallische elementen in het periodiek systeem en men nam altijd aan dat de conclusie ook voor andere materialen gold.

De Nederlandse onderzoekers komen tot andere conclusies via een theoretisch onderzoek aan BaAl4, een barium-aluminium verbinding die als modelsysteem voor allerlei kathodematerialen kan gelden. Het onderzoek toont duidelijk de beperkte geldigheid van het model van Smoluchowski aan. BaAl4 is een metaal met een zeer lage oppervlakte-energie, hetgeen betekent dat het zeer stabiel is, maar het heeft ook nog eens een werkfunctie die lager is dan van welk element ook. De onderzoekers vonden een verklaring voor de opvallende resultaten in de heterogene binding tussen lagen met barium- en met aluminiumatomen. Met behulp hiervan kan zelfs voorspeld worden dat een stabiel oppervlak met een lage werkfunctie niet alleen bij deze verbinding op zal treden, maar bij een hele klasse van gelijksoortige verbindingen. Deze voorspelling is dus compleet tegengesteld aan het model van Smoluchowski. Het betekent dat nu in principe een hele klasse aan materialen beschikbaar is voor OLEDs met betere eigenschappen.