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.
Een studie van een onderzoeksteam van de Rijksuniversiteit
Groningen en Georgia Tech laat nu 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.
Vastzitten in LED
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.
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," zegt
Herman Nicolai, de 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.
Minimale verontreinigingen
"Om dit raadsel op te lossen hebben we de eigenschappen van
ladingsvallen in negen verschillende polymeren onderzocht." Hieruit
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.
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.
Niet meer vallen
"De energie van de vallen ligt in de energiekloof," aldus
Nicolai. 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.
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."
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 oorsprong 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).