Tema

Komplementära logiska kretsar som fungerar fint i vatten

Forskare har nu tagit fram världens första elektrokemiska logiska krets som är komplementär och som fungerar stabilt i vatten under lång tid. Ett stort kliv till inom den organiska elektroniken, menar forskarna på Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet.

Världens första tryckbara organiska elektrokemiska transistor presenterades av LiU-forskare redan 2002 och forskningen har gått snabbt framåt sedan dess. Flera komponenter i organisk elektronik, som lysdioder och elektrokroma displayer, finns idag ute på marknaden.

Det dominerande materialet forskarna arbetat med hittills är PEDOT:PSS, som är av p-typ, det vill säga materialet transporterar positivt laddade hål. För att bygga effektiva elektroniska komponenter behövs också ett kompletterande material, ett material av n-typ som transporterar elektroner.

Hittills har det varit svår att hitta ett elektroniskt polymermaterial som varit tillräckligt stabilt, som fungerar i vatten och som behåller sin höga ledningsförmåga när det dopas.

Men nu har forskarna vid Linköpings universitet alltså hittat ett stabilt n-typmaterial som är uppbyggt som en molekylär stege. Detta ger både stabilitet och bidrar till att ledningsförmågan förblir hög även när materialet är dopat. Ett exempel är BBL, poly(benzimidazobenzophenanthroline), vanligt inom solcellsforskningen.

Smärtlindring och flower power

Applikationer baserad på organisk elektronik är exempelvis tryckbara logiska kretsar i textil eller på papper, olika typer av billiga sensorer. Våren 2015 presenterade forskargruppen vid Laboratoriet för organisk elektronik en liten jonpump med förmåga att pumpa in rätt dos av kroppens egen smärtlindring precis där den behövs. Jonpumpar inom organisk elektronik visade sig även fungera på växter. Under hösten samma år visade forskargruppen hur de fått rosor att suga upp en vattenlöslig ledande polymer, vilket innebar att en fullt fungerande transistor kunde skapas i rosens stam. Forskarna har också med hjälp av samma metod lyckats påverka tillväxten hos den lilla blomman backtrav.
Källor: Jonpump ger kroppen egen smärtlindring, Rosen som går att ladda upp, Elektronik som styr plantans tillväxt  

Hengda Sun, postdoktor vid LiU, har hittat en metod att skapa tjocka filmer av materialet. Ju tjockare film, desto högre blir nämligen ledningsförmågan

– Med hjälp av vår metod, spray-coating, har vi fått fram filmer som är upp till 200 nanometer tjocka och som kan nå en extremt hög ledningsförmåga, säger Simone Fabiano.

Det är en metod som också fungerar väl tillsammans med tryckt elektronik över stora ytor.

Fungerar i fuktiga omgivningar
Hengda Sun har även visat att kretsarna fungerar under lång tid, både i syrerik miljö och i vatten.

– Detta kan verka som ett litet framsteg inom ett smalt område, men det vackra i detta är att det har stora konsekvenser för en mängd tillämpningar. Vi kan nu ta fram komplementära logiska kretsar – inverterare, sensorer och andra komponenter, som fungerar i fuktiga omgivningar eller i vatten, säger Simone Fabiano.

– I logiska kretsar, baserade på enbart elektrokemiska transistorer av p-typ, krävs resistanser som tar stor plats och därmed begränsar tillämpningarna. Med ett n-typ-material i verktygslådan kan vi framställa komplementära kretsar som utnyttjar arean betydligt mer effektivt, tack vare att resistanser nu inte krävs för att åstadkomma logiska kretsar, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och forskningsledare vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Applikationer för de organiska komponenterna är exempelvis tryckbara logiska kretsar i textil eller på papper, olika typer av billiga sensorer, mjuka och böjliga teckenfönster samt inte minst inom hela det stora bioelektroniska fältet.

Artikeln:
Complementary logic circuits based on high-performance n-type organic electrochemical transistor, Hengda Sun, Mikhail Vagin, Suhao Wang, Xavier Crispin, Robert Forchheimer, Magnus Berggren, Simone Fabiano, Advanced Materials 2018.

Kontakt:
Simone Fabiano, simone.fabiano@liu.se, +46 11 36 36 33

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Komplementära logiska kretsar som fungerar fint i vatten

 lästid ~ 3 min