Veijo Hänninen

Orgaanista elektroniikkaa

Aivan kuten elävät organismit, orgaaninen elektroniikka käyttää hiilen monimutkaisia molekyylejä keskeisinä toiminnallisina komponentteina. Orgaaniset elektroniset laitteet ovat halvempia, ympäristöystävällisempiä ja paremmin kierrätettävissä kuin perinteinen puolijohde-elektroniikka.

Orgaanisista elementeistä voidaan tuottaa monenlaisia elektronisia rakenteita edullisesti mutta monesti hankaluutena ovat monenlaiset mutkat matkassa.

Perinteiset muovit tai polymeerit ovat sähköisiä eristeitä. Mutta jo seitsemänkymmentäluvulla löydettiin polymeerejä, jotka johtavat sähköä kuten puolijohde tai metalli.

Orgaaninen optoelektroniikka eturintamassa

Nykyään jo kaupallisesti menestyviä orgaanisia elektronisia laitteita ovat OLEDit (orgaaniset valodiodit), joita löytyy esimerkiksi älypuhelimien näytöstä. Muita lupaavia laitteita ovat hyvin edulliset aurinkokennot ja rakenteet tehokkaaseen valaistukseen pienemmällä sähkönkulutuksella.

ORGAANINEN-ELEK-Princeton-PlaCSH-chou_green_LED-225.pngOrgaaniset valoa emittoivat yhdisteet ovat mullistaneet erityisesti fotoniikkaa ja optoelektroniikkaa, avaten tien laitteille ja sovelluksille, jollaisiin tuskin pääsee epäorgaanisia materiaalien kautta.

Värien viritettävyys, mekaaninen joustavuus, laajat stimuloidun emission poikkileikkaukset, alhaiset kustannukset ja liuospohjainen prosessi tekevät aktiivisista orgaanisista materiaaleista sopivia täydentämään epäorgaanisia fotoniikkatekniikoita.

Jopa orgaanisiin puolijohteisiin perustuvia lasereitakin ollaan kehittämässä. Sellaisia voisi käyttää esimerkiksi virittämään fluoresoivia biomarkkereita, jolloin se olisi halpa vaihtoehto perinteisille lasereille, erityisesti kertakäyttöisissä sovelluksissa.

Hyvin johtavia muovisia nanokuituja

Johteet ovat perusta orgaanisellekin elektroniikalle. Alkuvuodesta 2012 Institut Charles Sadron (CNRS) ja Université de Strasbourgin tutkijat kertoivat onnistuneensa tekemään erittäin johtavia muovinanokuituja.

Kyseiset kuidut jopa rakentuivat itsestään kun sähkökentässä olevaa lähtöliuosta valaistiin salamavalolla. Näin syntyi helposti käsiteltäviä ja edullisesti valmistettavia muovikuituja joissa yhdistyy metallien ja orgaanisten muovimateriaalien edut.

Muutaman sadan nanometrin pituiset kuidut ovat kevyitä ja joustavia kuten muovi mutta ne voivat siirtää lähes kuparia vastaavia virtatiheyksiä. Niiden metallimainen rajapintavastus 10000 kertaa pienempi kuin parhailla orgaanisilla polymeereillä. Lisäksi niillä on metallimainen lämpötilakerroin.

Suuria virtatiheyksiä siirtävää materiaalia on muovielektroniikan parissa etsitty jo pitkään, sillä esimerkiksi hiilinanoputkien käsittely on varsin vaikeaa.

Parempia kontakteja orgaanisille

Orgaanisen elektroniikan yhtenä ongelmana on toteuttaa hyvä sähköinen kontakti aktiivisen orgaanisen kerroksen ja metallielektrodien välille. Myös tähän tarkoitukseen käytetään usein orgaanisia molekyylejä.

Vielä vuonna 2013 oli kuitenkin ollut käytännössä mahdotonta arvioida, mitkä molekyylit toimivat hyvin. Käytännössä niitä etsittiin kokeile ja keksi -menetelmällä.

ORGAANINEN-ELEK-Hemholz-_nofog_crop-200.pngKansainvälinen ryhmä tiedemiehiä Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) tutkimuslaitoksesta ja Humboldt-yliopistosta Berliinistä päättivät tutkia aihetta syvällisemmin.

Tutkimuksen loppuvaiheessa he saattoivat kehuskella, että ”meillä on melko hyvä tuntuma millaisilta molekyylien pitäisi näyttää ja mitä niiden ominaisuuksien pitäisi olla, jotta ne olisivat hyviä välittäjiä aktiivisten orgaanisten materiaalien ja metallisten liittimien välillä tai kuten me sitä kutsumme, hyviä muodostamaan pehmeän metallisia kontakteja”, totesivat he HZB-tutkimuslaitoksen tiedotteessa helmikuussa 2013.

Lämpöä johtavaa muovia

Useimpien muovien spagettimainen rakenne vaikeuttaa niiden lämmönsiirtoa, mutta Michiganin yliopiston tutkijaryhmä on tehnyt muovisekoituksen, joka siirtää lämpöä kymmenen kertaa paremmin kuin perinteiset muovit.

Aiemmin polymeerien lämmönsiirtoa on tehostettu metallisilla tai keraamisilla lisäaineilla tai venyttämällä molekyyliketjuja suoraviivaisemmiksi. Näillä tavoilla on omat haasteensa ominaisuuksien, skaalauksen, materiaalin painon ja kustannuksien suhteen.

Michiganin tutkimusryhmä keksi linkittää PAA-muovin pitkät polymeeriketjut PAP-muovin lyhyillä säikeillä. Uusi sekoitus tukeutuu vetysidoksiin, jotka ovat 10 - 100 kertaa vahvempia kuin löyhä kasa pitkiä säikeitä tyypillisissä muoveissa.

Polymeerisiä puolimetalleja

ORGAANINEN-ELEK-Lindkoping-polymeeri-puolimetalli-250.jpgMuutama vuosi sitten Linköpingin yliopiston orgaanisen elektroniikan dosentti Xavier Crispin johti hanketta, jossa osoitettiin, että polymeerit voivat olla myös puolimetalleja.

Jo aiemmin Crispin oli huomannut, että johtavat polymeerit voivat olla lämpösähköisiä.

Vahva lämpösähköinen Seebeck-ilmiö vihjaisi, että kyseessä olisi puolimetalli. Tämän uusi tutkimus sitten vahvisti.

Vahva Seebeck-vaikutus, metallimainen johtavuus huoneen lämpötilassa ja parittomien elektronien spinien puuttuminen tekee puolimetalliset polymeerit kiinnostaviksi lämpösähköisiin ja spintroniikan sovelluksiin.

Nykyiset lämpösähköiset on tehty vismutin ja puolimetalli telluurin seoksista. Ne ovat harvinaisia ja kalliita. Tutkittuja polymeerejä on sekä helppo että edullista valmistaa ja avaavat siten uuden tutkimusalan orgaaniselle elektroniikalle.

Muovielektroniikan varausansat

Kuten OLEDit, orgaaniset FETit voidaan valmistaa sekä pienimolekyylisistä että polymeeri-pohjaisista materiaaleista.

Muovielektroniikka lupailee halpoja laitteita mutta muovisissa puolijohteissa on merkittävä epäkohta: elektroninen virtaa vaikeuttavat materiaaliin sisältyvät "varausansat", jotka tuottavat harmillisia lisähäviöitä.

Vuonna 2012 University of Groningenin ja Georgia Institute of Technologyn yhteisen tutkijaryhmän tekemä tutkimus paljasti syyksi sen, että ansojen energiataso vastaa vesi-happi yhdistelmän tasoa. Siitä löytyi sitten vinkkiä suunnitella uusia puolijohtavia polymeerejä.

Berkeley Labin ja Kalifornian yliopiston Berkeleyssä toiminut ryhmä selvitti puolestaan vuonna 2014 mistä johtuu orgaanisten puolijohteinen epätasainen suorituskyky.

Tutkijat ovat tienneet, että ongelma liittyy orgaanisten puolijohdeohutkalvojen alueiden rajapintoihin mutta ne ovat pienempiä kuin diffraktioraja, joten ne ovat piilossa pintaa tutkivilta menetelmiltä kuten atomivoimamikroskoopilta.

Epätavallisen mikroskopiatekniikan avulla tutkijat löysivät satunnaisesti suuntautuneita nanokristalliitteja, jotka ovat joutuneet kineettisesti loukkuuntuneiksi rajapintaan ja siten häiriten varauksenkantajien liikkuvuutta. Ongelma syntyy valuprosessin aikana, joten havainto antaa nyt vihjeitä sen säätämiseksi.

Aurinkokennot

Orgaanisten aurinkokennojen vakavaksi haastajaksi on viime vuosina ilmaantunee eporgaaniset peruskiitti-materiaalit.

Orgaaninen tai muovinen aurinkokenno voidaan valmistaa johtavista orgaanisista polymeereistä tai pienistä orgaanisistä molekyyleistä.

Johtavat polymeerit ovat tyypillisesti itsessään johtavia ja niiden johtavuutta voidaan verrata metalleihin tai puolijohteisiin. Pienistä molekyyleistä koostetaan yleensä orgaanisia puolijohteita, joiden sähkönjohtavuus on eristeiden ja metallien välillä.

Yhtenä tavoitteena orgaanisen puolijohteiden tutkimuksen alalla on tuottaa orgaanisia polymeerejä, joilla on pieni energia-aukko (tai kaistaero).

ORGAANINEN-ELEK-Kiel-orgaaninen-tina-puolijohde-300-t.jpgKielin yliopiston tutkijat kertoivat vuoden 2014 loppupuolella onnistuneesti integroineensa orgaanista tinaa puolijohteiseksi polymeeriksi. Sisällyttämällä muoviin orgaanisia tinayhdisteitä, valoa voidaan absorboida laajalla alueella auringon spektristä.

Kielin tutkijat joutuivat tukeutumaan aivan uusiin ratkaisuihin. He sisällyttivät orgaaniset tinayhdisteet syklisen molekyylien ("stannoles") muodossa hiili-polymeerirunkoon.

Tina kuuluu samaan kemialliseen ryhmään kuin hiili, ja se on sen vuoksi samanlainen joiltakin ominaisuuksiltaan. Stannolesien elektroniset ominaisuudet ja vastaavien hiili-yhdisteiden (syklopentadieenit) välillä ne ovat kuitenkin hyvin erilaisia.

Tämä vaati tutkijoita etsimään aivan uudenlaisia kemiallisia reaktiotapoja mutta tuloksena oli sitten materiaaliin, joka voidaan käsitellä helposti mustiksi eli hyvin valoa absorboiviksi ohutkalvoiksi.

Onnistumisia orgaanisissa

ORGAANINEN-ELEK-VTT-OPV-solar-cell-250-t.jpgTammikuussa 2015 Teknologian tutkimuskeskus VTT kertoi kehittäneensä painotekniikkaan perustuvan massavalmistusmenetelmän, jolla voidaan valmistaa kuvioituja orgaanisia aurinkopaneeleja.

Noin 0,2 mm paksu aurinkopaneeli sisältää elektrodit ja valoa keräävät polymeerikerrokset. Painovärien avulla voidaan parantaa kalvon ulkonäköä. Noin neliömetrin kokoiseksi kootusta aurinkopaneelista tutkijat saivat virtaa 3,2 ampeeria ja tehoa 10,4 wattia Välimeren olosuhteita vastaavissa testeissä.

Apua energian varastointiin

Orgaanisilla materiaaleilla voi olla merkittävä rooli myös vaihtoehtoisten energialähteiden teknologioissa.

Esimerkiksi Berkeley Labin tutkijat ovat kehittäneet polymeereistä akun erotinkalvoa, jonka huokoskoko on noin yksi nanometri. Tyypillisen kalvoerottimien huokoskoko on noin 17 nanometriä.

Pienempi huokoskoko mahdollistaa erittäin selektiivisen kalvon läpi kulkevien ionien hallinnan. Berkeley tutkijoiden litium-rikki-kennoissa kokeilemat kalvot osoittautuneet 500 kertaa tehokkaammiksi estämään ei-toivottujen ionien läpimenoa kuin tavanomaiset kalvot.

Sähköisiä selluloosakuituja

Johtavia polymeerejä halutaan käyttää myös älykkäisiin tekstiileihin.

Syksyllä 2014 University of Alabaman tutkijat kertoivat kehittäneensä aiempaa edullisemman ja ympäristöystävällisemmän menetelmän tehdä sähköisiä selluloosakuituja. Menetelmä perustuu vahvojen kemikaalien sijaan nestemäisiin suoloihin.

Uutta menetelmä voitaisiin käyttää myös normaalisti hatarille materiaaleille, kuten puuvillalle ja prosessilla voisi myös tehdä johtavia polymeerikomposiitteja. Aiemmin johtavien polymeerikomposiitteja valmistusprosessi heikensi esimerkiksi puuvillan, villan tai nailonin mekaanisia ominaisuuksia.

Orgaanista anturitekniikkaa

ORGAANINEN-ELEK-Stanford-Polymer-paineanturi-220.jpgKeväällä 2014 Stanfordin yliopiston tutkijat kertoivat kehittäneensä polymeerisen paineanturin, joka on herkempi kuin ihmisen iho.

Tämä onnistui hyödyntäen aiemmin tuotettu ei-puristuvaa johtavaa polymeeriä kun siitä tehtiin vaahtoa, jossa on erikokoisia kokoonpuristuvia palloja.

Anturille saavutettiin alle kymmenen pascalin herkkyysalue ja se pystyi havaitsemaan yksittäisen kukan terälehden putoamisen pinnalleen.

Erikokoisista mikropalloista joutuen anturissa tapahtuu paineen alla kaksi asiaa. Paineen kasvaessa elektrodien kosketuspinta-ala palloille kasvaa, mikä lisää mitattua virtaa mutta samalla, pallomaiset hiukkaset painuessaan lähemmäksi toisiaan parantavat pallojen välistä kosketusta, mikä edistää herkkyyttä.

Pidempää elinikää valoenergialle

Kölnin yliopiston tutkijat yhdessä Jilin University (Kiina) ja University of Nottingham (UK) tutkijoiden kanssa ovat pystyneet suunnittelemaan orgaanisen elektronisen laitteen, jossa valon tuottaman varauksen elinikä on noin 10000 kertaa pidempi kuin aiemmin on ajateltu olevan mahdollista.

He toteuttivat rakenteen tukeutuen orgaanisiin molekyyleihin, joiden sisäänrakennettu sähkökenttä luo kaivantoja, jotka ansoittavat ja suojaavat varauksenkuljettajia.

Tämä avaa mahdollisuuden luoda kokonaan uudenlaisia orgaanisia elektronisia laitteita, kuten ultra-herkkiä kuvailmaisimia tai joustavia optisesti kirjoittavia muistielementtejä, joita voitaisiin käyttää puettavissa tietokoneissa.

Tehokkaampia orgaanisia puolijohteita

ORGAANINEN-ELEK-UCLA-org-puolijohd-kasvatus-pystyyn-200-t.jpgMateriaalitutkijat UCLA:n California NanoSystems Institutesta ovat löytäneet tavan tehdä orgaanisesta puolijohteista tehokkaampia ja hyödyllisempiä.

Läpimurto oli luoda parannettu rakenne yhdelle tyypille orgaanista puolijohdetta, johtavalle polymeerin rakennelohkolle nimeltään tetraaniline. Tutkijat osoittivat, että tetraanilinen kiteitä voitaisiin kasvattaa vertikaalisesti.

Saavutus voi johtaa huomattavasti parempaan teknologiaan kerätä aurinkoenergiaa, muokkaamalla aurinkokennoja kukkamaisiksi valoantenneiksi, jotka voivat absorboida valoa kaikista suunnista.

UCLA:n tutkijat tuottivat kiteet liuoksesta grafeenista valmistetulle alustalle. Tetraaniline on haluttava puolijohde, koska sillä on erityiset sähköiset ja kemialliset ominaisuudet, jotka määräytyvät sen sisältämien hyvin pienien kiteiden suunnasta.

Grafeenialustasta on sekin etu, että se mahdollistaa mallintaa kiteitä haluttuun paikkaan ja niin monimutkaisiin kuvioihin kuin laitteissa tarvitaan, kuten ohutkalvotransistoreiksi tai valodiodeiksi.

Tieteellisiä löytöjä

Orgaanisten parissa tehdään myös paljon tutkimustyötä ja sillä sektorilla on tehty monia enemmän tieteellisiä mutta kenties joskus realisoituviakin löytöjä. Parhaillaan tutkijat esimerkiksi ottavat ensiaskeleita luodakseen biohajoavaa näyttöelektroniikkaa.

Teoreettisien työkalujen avulla puolestaan A*STAR:in tutkijat ovat tunnistaneet tavan rakentaa kaksiulotteisia topologisia eristeitä orgaanis-perustaista komplekseista vaihtoehtona myrkyllisille ja hintaville epäorgaanisille kiteille.

Nanonauhat sähköjohteina

ORGAANINEN-ELEK-Umea-nanoribbons-R-220.gifUumajan yliopiston fyysikot ovat yhdessä Berkeleyn tutkijoiden kanssa kehittäneet menetelmän syntetisoida materiaalia, joka muistuttaa grafeenisia nanonauhoja mutta molekylaarisessa muodossa.

Tämä materiaali voi olla tärkeä tehostettaessa orgaanisia aurinkokennoja. Kehitetyt nanonauhat koostuvat PCBM-molekyyleistä, joita käytetään yleisesti orgaanisissa aurinkokennoissa, koska ne kuljettavat hyvin vapaita elektroneja.

Nyt tutkijat ovat kehittäneet menetelmän järjestää näitä molekyylejä ohuiksi, kiteisiksi, hyvin sähköä johtaviksi nanonauhoiksi

Uusi tapa tehdä orgaanisia elektronisia materiaaleja

ORGAANINEN-ELEK-Oregon-nanohoop-materiaali-250.jpgOregonin yliopistossa toiminut työryhmä on tuottanut nanovanteita (nanohoop) - kemiallisesti cycloparaphenylene -, joita voidaan tehdä erilaisista atomeista. Alun perin oli tarkoitus tehdä niitä hiilestä ja käyttää hiilinanoputkien tehostuskeinona elektroniikan tai optisten laitteiden käyttöä ajatellen.

Nanovanteet sijoittuvat kooltaan pitkäketjuisista polymeereistä ja pienmolekyylistä tehtyjen rakenteiden välille ja tarjoavat siten uuden tavan tehdä orgaanisia elektronisia materiaaleja.

Sykliset yhdisteet voivat käyttäytyä kuin ne olisivat satoja yksiköitä pitkiä, kuten polymeerit, mutta ovat vain kuuden-kahdeksan yksikön renkaita. Kun siihen lisätään muita kuin hiiliatomeja, sen optisia ja sähköisiä ominaisuuksia voi helposti manipuloida.

Erityisesti ne auttavat ratkaisemaan materiaaleihin liittyviä kaistaerojen haasteita. Syntetisoimalla nanovanteita hiilen ja typen atomeilla tekee niiden renkaan elektronien akseptoriksi ja toisen osan luovuttajaksi.

Kvanttifysiikka kohtaa geenitekniikan

Luonnon fotosynteesi saavuttaa lähes sata prosenttisen tehokkuuden kuljettaessaan energiaa auringonvalon reseptoreista reaktiokeskuksiin, joissa se voidaan käyttää hyödyksi. Yksi tapa, jolla kasvit saavuttavat tällaisen tehokkuuden on hyödyntää kvanttimekaniikan vaikutuksia.

Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) ja italialaisen Eni energiayhtiön tutkijat ovat kehittäneet tätä vastaavan lähestymistavan aurinkoenergiaan käyttämällä geeniteknisiä viruksia.

Kvantti-ilmiöitä hyödyntäen fotosynteesin eksitonit ottaa tavallaan useita reittejä kerralla ja valitsee niistä parhaan, käyttäytyen enemmän aallon kuin hiukkasen tapaan.

Matkiessaan tällaista tehokas eksitonien liikkuvuutta tutkija pystyivät orgaanisien väriaineiden (keinotekoiset virukset) avulla kaksinkertaistamaan eksitonien etäisyyden jonka ne kulkivat ennen haihtumistaan saavuttaen näin merkittävän parannuksen prosessin tehokkuudelle.

Vaikka tämä tulos on vasta konseptin esittely se viitoittaa tietä kohti lähestymistapaa, joka voisi johtaa edullisiin ja tehokkaisiin aurinkokennoihin tai valolla ajettaviin katalyyseihin, tutkijaryhmä toteaa MIT:n tiedotteessa. 

Lomittuminen aurinkokennossa

ORGAANINEN-ELEK-Cambride-lomittuminen-pentacene-220.pngTietyt materiaalit käyvät läpi singlet-fission, jossa fotonin absorbtio johtaa kahden spin-triplet -virityksen muodostumiseen.

Cambridgen yliopiston johdolla kansainvälinen tiedemiesryhmä tarkkaili, miten yksi fotoni voi muuttua kahdeksi energeettisesti virittyneeksi hiukkaseksi, spin-triplet viritykseksi, singlet-fissio -prosessin läpi.

Tutkijat seurasivat orgaanisissa molekyyleissä tapahtuvaa kvantti-ilmiötä reaaliajassa ja havainnut kahden triplet-virittymisen lomittumisen. Se saattaa tarjota "kaksi yhden hinnalla" fission seuraavan sukupolven aurinkokennoihin.

Heijastamalla ultranopeita laserpulsseja pentacene-näytteeseen tutkijat pystyivät tarkkailemaan tällaista lomittunutta tilaa ensimmäistä kertaa, ja osoittivat, kuinka molekyylitason värähtelyt tekevät sen sekä havaittavaksi että ohjata sen luomista kvanttidynamiikan kautta.

Jos singlet fissiota voitaisiin hallita mikroskooppisellakin tasolla, se voisi mahdollistaa aurinkokennojen kaksinkertaistaa kerätyn sähkövirran määrää.

Lokakuu 2015