Elektroniske enheter kan bli mer effektive ved å justere sammensetningen og oppbygningen av materiallagene på mikroskopisk nivå. En forskergruppe ved University of Ottawa mener selv små endringer i lagene kan gi betydelig bedre ytelse, samtidig som energiforbruket reduseres.

Teknologien kan særlig få betydning for mindre, bærbare og biologisk nedbrytbare enheter. Slike enheter er avhengige av nøye organiserte lag for å lede elektrisitet, og måten lagene settes sammen på kan påvirke hvor mye energi elektronikken trenger.

Underlaget påvirker transistoren

Forskergruppen til Benoit Lessard ved University of Ottawa undersøker materialer som kan brukes som underlag for samlinger av ledende lag, kjent som tynnfilmtransistorer. Transistorene styrer bevegelsen av elektriske signaler og brukes blant annet i skjermer og annen elektronikk.

«Det er svært viktig å ta hensyn til det underliggende laget når man legger det neste laget oppå, fordi det vil påvirke hvordan det neste laget organiserer seg og hvordan molekylene passer sammen», sa Lessard.

Det er ikke bare materialene i seg selv som påvirker elektronikken. Også den molekylære organiseringen har betydning. Laget under det aktive materialet kan bestemme hvordan molekylene i det øvre laget legger seg og orienterer seg. Selv små endringer i denne strukturen kan påvirke hvor effektivt elektrisk ladning beveger seg, og hvilken spenning enheten trenger for å fungere.

Kan gi mer presise narkotikasensorer

Forskerne mener bedre kontroll over lagene også kan føre til nye bruksområder for elektronikk. Ett eksempel er sensorer som kan bidra til å redusere skader knyttet til illegale rusmidler.

Lessards gruppe utvikler sensorer som gjennom elektrokjemiske reaksjoner skal kunne identifisere hvilke stoffer som finnes i en prøve, og hvor mye det er av hvert stoff. Dagens tester for blant annet fentanyl er «nyttige for å si ja eller nei», sa Lessard. En nøyaktig måling av mengden fentanyl i en prøve kan imidlertid være viktig både for personer som bruker narkotika, og for helsepersonell som hjelper dem.

Lav driftsspenning i forsøkene

I studien analyserte forskerne n-type organiske tynnfilmtransistorer (OTFT) basert på bis(pentafluorophenoxy) silicon phthalocyanine (F10SiPc). Transistorene ble laget på metakrylatbaserte polymerdielektrika som inneholder enheter av polymerisert ionisk væske (PIL).

Forskerne brukte blant annet synkrotronbasert røntgenspredning ved beitende innfall, atomkraftmikroskopi og elektriske målinger. Analysene viste at mengden PIL kan brukes til å kontrollere orienteringen til F10SiPc på underlaget.

Da PIL-innholdet ble økt fra 12 til 65 prosent, kunne OTFT-enhetene fungere ved en spenning på bare 0,9 volt. Studien rapporterte samtidig et Ion/Ioff-forhold på 104 og en transkonduktans på opptil 1850 nS.

Arbeidet understreker dermed betydningen av grenseflaten mellom dielektrikumet og halvlederen i OTFT-er med lav terskelspenning, der PIL- og F10SiPc-materialer brukes.