Kunststof ketent elektronen

Naast de grote vormgevingsvrijheid en lage kostprijs, staan kunststoffen vooral bekend om hun uitstekende isolerende eigenschappen. Kunststoffen, in de chemie ook wel polymeren genoemd, bestaan uit een kluwen van zeer lange moleculen die elk uit honderden of duizenden schakels bestaan. In tegenstelling tot metalen bevatten polymeren geen vrije elektronen, waardoor de elektrische weerstand ervan zeer hoog is. De meeste elektrische apparatuur is dan ook standaard voorzien van een kunststof behuizing, terwijl voor bekabeling nauwelijks een goed alternatief bestaat.

Ongeveer twintig jaar geleden werd de weerstand echter overwonnen. Chemici ontdekten polymeren die wel elektriciteit kunnen geleiden. Sindsdien hebben deze plastics vooral hoge verwachtingen gewekt, maar een grote commerciële doorbraak bleef tot op heden uit. Het materiaal wordt hoofdzakelijk gebruikt in kleinschalige toepassingen, die variëren van antistatische verpakkingen tot sensoren voor de chemische industrie.

De makkelijke verwerkbaarheid en relatieve taaiheid van deze polymeren, heeft intussen wel de belangstelling gewekt van de elektronicaboeren. Computerchips, geïntegreerde circuits en andere elektronische componenten zijn immers voornamelijk gebaseerd op de halfgeleider silicium. En behalve dat je voor de productie ervan dure clean rooms nodig hebt, is siliciumtechnologie vrij kwetsbaar: op de gemiddelde chip kun je beter niet gaan zitten.

De laatste jaren is het evenwel gelukt experimentele lichtgevende polymeren te fabriceren. Behalve gekleurde LEDs, biedt dit ook uitzicht op de langverwachte goedkope en robuuste platte beeldschermen. En bij Natlab, Philips’ onderzoekscentrum, wordt al enkele jaren onderzoek verricht naar zogenaamde veld-effect transistoren van halfgeleidende kunststof. Hoewel de reproduceerbaarheid nog een probleem is, blijkt het in principe mogelijk elektronische componenten van hoge kwaliteit te maken.
Risicovol

Hoe de geleiding precies tot stand komt is echter onbekend. De polymeren zijn namelijk moeilijk te zuiveren, een randvoorwaarde voor nader onderzoek. Maar dat probleem is onlangs opgelost. ,,Men is er in geslaagd zijtakken op de polymeerketens aan te brengen”, weet dr. J.M. Warman, hoofd van de afdeling stralingschemie van het Interfacultair Reactor instituut (IRI). ,,Hierdoor kun je de polymeren wel oplossen, en is de stof makkelijk te zuiveren. Dit was met de eerste generatie geleidende polymeren onmogelijk.”

Bij het IRI zaten ze eigenlijk al te wachten op deze doorbraak.Warman: ,,Met oplosbare polymeren kun je door spin coating dunne geleidende lagen maken, maar voor onderzoekers is het materiaal zeker zo interessant. Je kunt nu immers de individuele ketens bekijken.”

Begin 1997 begon de afdeling daarom met een onderzoek naar deze polymeren dat geheel voor rekening van het IRI kwam. ‘Risicovol onderzoek’, heet dat in de research-wereld. Inmiddels heeft dit zijn vruchten afgeworpen. Het onderzoek werd vorig week bekroond met een publicatie in het Britse vakblad Nature.

In hun experimenten toonden de onderzoekers aan dat elektrische ladingen zich bij voorkeur langs een polymeerketen bewegen, en dat er nog volop ruimte voor verbetering is. De methode: een genadeloos elektronenbombardement en straling uit een buitenmodel magnetron.
Schieten

Bij hun experimenten lossen de IRI-onderzoekers polyfenyleenvinyleen (PPV) op in benzeen. De polymeeroplossing wordt opgesloten in een koperen doosje, de cel, dat onder een versneller wordt gelegd. In feite doet dit metershoge apparaat hetzelfde als de beeldbuis van een tv-toestel: elektronen op de gewenste plek schieten. Met het verschil dat het spanningsverschil hier zo’n drie miljoen volt is, wat hoog-energetische bètastraling oplevert.

,,Die straling gebruiken we om de PPV-oplossing te ioniseren”, licht ir. R.J.O.M. Hoofman toe, die als aio bij het onderzoek betrokken is. ,,De versneller schiet pulsgewijs elektronen door de oplossing. Deze verliezen hierbij energie, waardoor vrije positieve ionen en elektronen in de vloeistof ontstaan. Maar ze komen af en toe op een polymeerketen terecht, en bewegen zich daar dan langs. Dit is energetisch namelijk gunstiger.”

Hoofman weet dit omdat zuiver benzeen een ander geleidingsgedrag vertoond dan de PPV-oplossing. Door de cel van de zijkant te bestoken met microgolven, kan de beweeglijkheid van ladingen in de polymeeroplossing gedetecteerd worden. ,,De microgolven worden verzwakt door de beweging van de ladingen”, legt Hoofman uit. ,,Aan de hand van de verzwakking is dus de beweging van de elektronen en ionen vast te leggen. Nu blijkt dat de ladingsdragers zich anders bewegen als de oplossing PPV bevat. Bovendien is de geleiding veel beter, en houdt de geleidbaarheid langer aan.”

Overigens zijn de onderzoekers verbaasd over de gemeten geleidbaarheid. Een kleine toename hadden ze wel verwacht. In een vast blokje geleidend polymeer worden de elektronen immers flink gehinderd. ,,In bulkmateriaal vormen de polymeerketens wanordelijke kluwen en moeten de elektronen van keten naar keten springen”, verklaart wetenschappelijk medewerker dr. L.D.A. Siebbeles. ,,Dat vertraagt de boel, terwijl de elektronen ook snel worden afgevangen door verontreinigingen. Maar uit onze metingen blijkt dat de geleidbaarheid in principe met drie ordes van grootte verbeterd kan worden.”

Hoewel de polymeren zelfs daarmee nog niet in de buurt komen van metalen, blijkt hun geleidbaarheid wel vergelijkbaar met die van amorf silicium. Dat maakt geleidende polymeren nog geschikter voor elektronicatoepassingen dan tot nu toe werd aangenomen. Bij de verdere ontwikkeling is volgens de IRI-onderzoekers dan wel meer aandacht nodig voor de zuiverheid en de ruimtelijke vorm vande polymeerketens.

Deze uitkomst mag dan veelbelovend zijn, van innige contacten met het bedrijfsleven is vooralsnog geen sprake. Vanwege de publicatie in Nature hebben de IRI-onderzoekers hun resultaten ‘een beetje onder de doeken moeten houden’. Maar ze zien het ook niet als hun taak om industrieel onderzoek te verrichten. ,,Wij geven hiermee een beetje de richting voor de industrie aan”, zegt Siebbeles dan ook berustend. Voor het platte beeldscherm zijn de ogen dus nog steeds gericht op Eindhoven.

Naast de grote vormgevingsvrijheid en lage kostprijs, staan kunststoffen vooral bekend om hun uitstekende isolerende eigenschappen. Kunststoffen, in de chemie ook wel polymeren genoemd, bestaan uit een kluwen van zeer lange moleculen die elk uit honderden of duizenden schakels bestaan. In tegenstelling tot metalen bevatten polymeren geen vrije elektronen, waardoor de elektrische weerstand ervan zeer hoog is. De meeste elektrische apparatuur is dan ook standaard voorzien van een kunststof behuizing, terwijl voor bekabeling nauwelijks een goed alternatief bestaat.

Ongeveer twintig jaar geleden werd de weerstand echter overwonnen. Chemici ontdekten polymeren die wel elektriciteit kunnen geleiden. Sindsdien hebben deze plastics vooral hoge verwachtingen gewekt, maar een grote commerciële doorbraak bleef tot op heden uit. Het materiaal wordt hoofdzakelijk gebruikt in kleinschalige toepassingen, die variëren van antistatische verpakkingen tot sensoren voor de chemische industrie.

De makkelijke verwerkbaarheid en relatieve taaiheid van deze polymeren, heeft intussen wel de belangstelling gewekt van de elektronicaboeren. Computerchips, geïntegreerde circuits en andere elektronische componenten zijn immers voornamelijk gebaseerd op de halfgeleider silicium. En behalve dat je voor de productie ervan dure clean rooms nodig hebt, is siliciumtechnologie vrij kwetsbaar: op de gemiddelde chip kun je beter niet gaan zitten.

De laatste jaren is het evenwel gelukt experimentele lichtgevende polymeren te fabriceren. Behalve gekleurde LEDs, biedt dit ook uitzicht op de langverwachte goedkope en robuuste platte beeldschermen. En bij Natlab, Philips’ onderzoekscentrum, wordt al enkele jaren onderzoek verricht naar zogenaamde veld-effect transistoren van halfgeleidende kunststof. Hoewel de reproduceerbaarheid nog een probleem is, blijkt het in principe mogelijk elektronische componenten van hoge kwaliteit te maken.
Risicovol

Hoe de geleiding precies tot stand komt is echter onbekend. De polymeren zijn namelijk moeilijk te zuiveren, een randvoorwaarde voor nader onderzoek. Maar dat probleem is onlangs opgelost. ,,Men is er in geslaagd zijtakken op de polymeerketens aan te brengen”, weet dr. J.M. Warman, hoofd van de afdeling stralingschemie van het Interfacultair Reactor instituut (IRI). ,,Hierdoor kun je de polymeren wel oplossen, en is de stof makkelijk te zuiveren. Dit was met de eerste generatie geleidende polymeren onmogelijk.”

Bij het IRI zaten ze eigenlijk al te wachten op deze doorbraak.Warman: ,,Met oplosbare polymeren kun je door spin coating dunne geleidende lagen maken, maar voor onderzoekers is het materiaal zeker zo interessant. Je kunt nu immers de individuele ketens bekijken.”

Begin 1997 begon de afdeling daarom met een onderzoek naar deze polymeren dat geheel voor rekening van het IRI kwam. ‘Risicovol onderzoek’, heet dat in de research-wereld. Inmiddels heeft dit zijn vruchten afgeworpen. Het onderzoek werd vorig week bekroond met een publicatie in het Britse vakblad Nature.

In hun experimenten toonden de onderzoekers aan dat elektrische ladingen zich bij voorkeur langs een polymeerketen bewegen, en dat er nog volop ruimte voor verbetering is. De methode: een genadeloos elektronenbombardement en straling uit een buitenmodel magnetron.
Schieten

Bij hun experimenten lossen de IRI-onderzoekers polyfenyleenvinyleen (PPV) op in benzeen. De polymeeroplossing wordt opgesloten in een koperen doosje, de cel, dat onder een versneller wordt gelegd. In feite doet dit metershoge apparaat hetzelfde als de beeldbuis van een tv-toestel: elektronen op de gewenste plek schieten. Met het verschil dat het spanningsverschil hier zo’n drie miljoen volt is, wat hoog-energetische bètastraling oplevert.

,,Die straling gebruiken we om de PPV-oplossing te ioniseren”, licht ir. R.J.O.M. Hoofman toe, die als aio bij het onderzoek betrokken is. ,,De versneller schiet pulsgewijs elektronen door de oplossing. Deze verliezen hierbij energie, waardoor vrije positieve ionen en elektronen in de vloeistof ontstaan. Maar ze komen af en toe op een polymeerketen terecht, en bewegen zich daar dan langs. Dit is energetisch namelijk gunstiger.”

Hoofman weet dit omdat zuiver benzeen een ander geleidingsgedrag vertoond dan de PPV-oplossing. Door de cel van de zijkant te bestoken met microgolven, kan de beweeglijkheid van ladingen in de polymeeroplossing gedetecteerd worden. ,,De microgolven worden verzwakt door de beweging van de ladingen”, legt Hoofman uit. ,,Aan de hand van de verzwakking is dus de beweging van de elektronen en ionen vast te leggen. Nu blijkt dat de ladingsdragers zich anders bewegen als de oplossing PPV bevat. Bovendien is de geleiding veel beter, en houdt de geleidbaarheid langer aan.”

Overigens zijn de onderzoekers verbaasd over de gemeten geleidbaarheid. Een kleine toename hadden ze wel verwacht. In een vast blokje geleidend polymeer worden de elektronen immers flink gehinderd. ,,In bulkmateriaal vormen de polymeerketens wanordelijke kluwen en moeten de elektronen van keten naar keten springen”, verklaart wetenschappelijk medewerker dr. L.D.A. Siebbeles. ,,Dat vertraagt de boel, terwijl de elektronen ook snel worden afgevangen door verontreinigingen. Maar uit onze metingen blijkt dat de geleidbaarheid in principe met drie ordes van grootte verbeterd kan worden.”

Hoewel de polymeren zelfs daarmee nog niet in de buurt komen van metalen, blijkt hun geleidbaarheid wel vergelijkbaar met die van amorf silicium. Dat maakt geleidende polymeren nog geschikter voor elektronicatoepassingen dan tot nu toe werd aangenomen. Bij de verdere ontwikkeling is volgens de IRI-onderzoekers dan wel meer aandacht nodig voor de zuiverheid en de ruimtelijke vorm vande polymeerketens.

Deze uitkomst mag dan veelbelovend zijn, van innige contacten met het bedrijfsleven is vooralsnog geen sprake. Vanwege de publicatie in Nature hebben de IRI-onderzoekers hun resultaten ‘een beetje onder de doeken moeten houden’. Maar ze zien het ook niet als hun taak om industrieel onderzoek te verrichten. ,,Wij geven hiermee een beetje de richting voor de industrie aan”, zegt Siebbeles dan ook berustend. Voor het platte beeldscherm zijn de ogen dus nog steeds gericht op Eindhoven.