28/09/2021
Door Ad Spijkers
Elektronica op basis van kunststof klinkt als sciencefiction, maar komt dichter bij dagelijks gebruik.
Natuurkundigen van de Philipps Universität Marburg hebben de elektrische prestaties van zilverelektroden verbeterd door ze vooraf te bedekken met extreem dunne moleculaire films. Dit geldt voor zowel sterk geordende kristallijne als ongeordende zilveren elektroden.
Kunststof substraten
De resultaten maken het mogelijk om zilveren contacten op flexibele kunststof substraten te printen zonder de prestaties te veel te beperken door hoge contactweerstanden met organische halfgeleiders. Organische elektronica wordt beschouwd als technologie van de toekomst: de componenten ervan zijn goedkoop te produceren. Omdat deze flexibel zijn, maken ze nieuwe soorten toepassingen mogelijk, zoals kunststof labels met elektronische schakelingen, opvouwbare displays en dergelijke.
Metaalinkten maken het mogelijk om geleiders en contacten op kunststof films te printen voordat er organische halfgeleiders op worden aangebracht. Om een geleidende laag te verkrijgen, moet het bedrukte metalen contact nog worden verwarmd, uieraard zonder de kunststof ondergrond te smelten. Als zilver wordt gebruikt in plaats van gouden inkt, wordt de vereiste temperatuur verlaagd Zilver heeft wel een lage uittrede-energie, wat leidt tot een hoge contactweerstand met de organische halfgeleiders en dus tot hoge energieverliezen.
Acceptormoleculen
Om het probleem op te lossen, gebruikte het onderzoeksteam organische acceptormoleculen om een extreem dunne laag op de zilverelektroden aan te brengen. Daarbij streefde de groep het doel na om de contactweerstand tegen de organische halfgeleiders te verminderen.
Ze selecteerden chemische verbindingen uit de klasse van gefluoreerde cyanochinodimethanen als toplaag of 'contactprimer'. Die brachten ze aan als monolaag, een laag uit slechts een enkele laag geordende moleculen. Het gebruik van organische monolagen betekent dat de uittrede-energie van de zilverelektroden toeneemt tot 5,6 eV.
Om de structuur en productieomstandigheden van dergelijke dunne lagen nauwkeurig te onderzoeken, gebruikten de wetenschappers eerst kristallijne zilverelektroden, omdat dit ook een microscopisch beeld met hoge resolutie van de moleculaire lagen mogelijk maakt. Ze ondervonden een verrassing. Ze zagen dat, wanneer de zilvercontacten worden bedekt met de moleculaire deklaag, er spontane vermenging met het zilversubstraat optreedt. Er wordt een metaal-organische gemengde fase gevormd, waarvan de dikte meer dan honderd moleculaire lagen bedraagt. Het kan echter gecontroleerd worden verdampt, zodat er alleen een iets sterker gebonden monolaag overblijft.
Met behulp van gedetailleerde fabricageprotocollen is het nu mogelijk om geprinte zilveren contacten zo te modificeren, dat gedrukte organische elektronica kan worden geïmplementeerd. Dit kan door kennis van de vereiste procestemperatuur, zonder complexe controle van de dikte van deze toplaag.
Foto: Maximilian Dreher