Bouwblokken voor plastic chips

Een van de essentiële trucs in de ‘gewone’ elektronica is het injecteren van kleine hoeveelheden boor of fosfor in het silicium. Daarmee kun je de eigenschappen van het materiaal zodanig veranderen dat het bruikbaar wordt om een transistor van te maken. De organische elektronica heeft niet zo’n subtiele methode om te spelen met materiaaleigenschappen. Willen plastic chips ooit gemeengoed worden, dan is een trucendoos echter wel noodzakelijk gereedschap.
Het onderzoek waarop Anna Molinari vorige week promoveerde levert een bijdrage aan het ontstaan van zo’n trucendoos – al is het fundamenteel onderzoek dat nog ver van de praktijk verwijderd is, benadrukt ze zelf. “Ik ben geïnteresseerd in het gedrag van ladingdragers op grensvlakken tussen metaal en organisch materiaal en tussen twee organische materialen”, legt ze uit.
De manier waarop elektronen en gaten (een gat is een afwezig elektron waar dit wel in een kristalrooster zou moeten zitten) zich op de grensvlakken gedragen, is bepalend voor de werking van een transistor. Bij anorganische chips gaat het om vlakken tussen verschillend behandelde siliciumroosters onderling of met metalen. Bij organische elektronica komen er vaak verschillende soorten polymeren en metalen aan te pas.
“Ik heb een heleboel metalen geprobeerd om te zoeken naar het ideale contact tussen metaal en rubreen”, vertelt Molinari. Rubreen is een organische verbinding van acht benzeenringen die veelvuldig gebruikt wordt om flexibele chips te maken. “Daar kwam uit dat nikkel een heel lage contactweerstand geeft. Het is onder sommige omstandigheden zelfs beter dan goud, dat in de chipsindustrie veel gebruikt wordt.”
Met die verworven kennis in het achterhoofd ging Molinari aan de slag met een ander organisch materiaal om een razendsnelle organic field effect transistor (ofet) te maken, die in zijn anorganische variant de bouwsteen is van het gros van alle digitale circuits. Dat lukte. Haar ofet brak het bestaande record voor de mobiliteit van elektronen in organische transistoren, al blijft de snelheid nog altijd ver achter bij silicium exemplaren en nanobuisjes. Het komt echter wel aardig in de buurt van het amorfe silicium waar onder meer zonnecellen van gemaakt worden.
Daarnaast richtte Molinari haar aandacht op fundamenteel begrip van het grensvlak tussen twee organische materialen die luisteren naar de namen tetrathiofulvaleen (ttf) en 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethaan (tcnq). Molinari: “Van deze twee moleculen was bekend dat er ladingsoverdracht plaatsvindt. De vraag was of dat ook gebeurt als je ze allebei in een kristal laat groeien.”
“Twee van die kristallen leggen we tegen elkaar aan”, legt ze haar experimenten uit. “De Van der Waals-krachten zorgen ervoor dat ze niet losraken. Het geheel leggen we op een flexibel substraat en dan leggen we contacten met geleidende verf. Daarna zetten we er spanning op en meten de weerstand en stroomsterkte bij verschillende temperaturen.”
De ladingsoverdracht tussen de twee kristallen blijkt zo snel te verlopen dat je bijna van een metaal kunt spreken. Dat is interessant, want de trage elektronen in organische materialen zijn een belangrijke hindernis bij het maken van snelle elektronica. Naast ttf en tcnq zijn er nog vele andere potentieel interessante materialen om in organische chips te gebruiken.
“Het mooiste zou zijn als je een heleboel bouwblokken had om allerlei soorten grensvlakken te maken op een organische chip, want dan kun je veel verschillende schakelingen maken”, stelt Molinari. Ze hoopt dat haar onderzoek bijdraagt tot het ontstaan van zo’n verzameling. In de verre toekomst dan, want haar kristallen hebben vooralsnog een groot probleem: je moet ze stuk voor stuk op hun plek leggen, omdat er nog geen massaproductiemethode voor bestaat.