Spinnend, draaiend licht zou de volgende generatie elektronica kunnen aandrijven

Onderzoekers hebben voortgang geboekt in het oplossen van een decennia-oude uitdaging op het gebied van organische halfgeleiders en nieuwe mogelijkheden geopend voor de toekomst van elektronica.

De onderzoekers, onder leiding van de Universiteit van Cambridge en de Technische Universiteit Eindhoven, hebben een organische halfgeleider gemaakt die elektronen dwingt om in een spiraalpatroon te bewegen. Dit zou de efficiëntie van OLED-schermen in televisies en smartphones kunnen verbeteren. Of het spinnend draaiend licht zou de volgende generatie computertechnologieën zoals spintronics en kwantumcomputers kunnen aandrijven.

Circulair gepolariseerd licht

De halfgeleider die ze ontwikkelden, zendt circulair gepolariseerd licht uit. Dat betekent dat het licht informatie bevat over de ‘links- of rechtshandigheid’ van elektronen. De interne structuur van de meeste anorganische halfgeleiders, zoals silicium, is symmetrisch. Dat betekent dat elektronen er doorheen bewegen zonder enige voorkeursrichting.

In de natuur

In de natuur hebben moleculen echter vaak een chirale (links- of rechtshandige) structuur: net als mensenhanden zijn chirale moleculen spiegelbeelden van elkaar. Chiraliteit speelt een belangrijke rol in biologische processen zoals DNA-vorming. Echter, het is een moeilijk fenomeen om te benutten en te beheersen in elektronica.

Chirale halfgeleiders

Door gebruik te maken van moleculaire ontwerptrucs, die geïnspireerd zijn op de natuur, waren de onderzoekers in staat om een chirale halfgeleider te creëren. Dit deden ze door stapels halfgeleidende moleculen aan te duwen om geordende rechtshandige of linkshandige spiraalkolommen te vormen. Hun resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Science.

Beeldschermtechnologie

Een veelbelovende toepassing voor chirale halfgeleiders is de beeldschermtechnologie. De huidige schermen verspillen vaak een aanzienlijke hoeveelheid energie door de manier waarop schermen licht filteren. De chirale halfgeleider die door de onderzoekers is ontwikkeld, straalt van nature licht uit. Dit doet de halfgeleider op een manier die deze verliezen zou kunnen verminderen, waardoor schermen helderder en energiezuiniger worden.

Organische halfgeleiders

“Toen ik begon te werken aan organische halfgeleiders, twijfelden veel mensen aan hun potentieel. Maar nu domineren ze de beeldschermtechnologie”, zegt professor Sir Richard Friend van het Cavendish Laboratory in Cambridge, die het onderzoek mede leidde.

Legoset

“In tegenstelling tot stijve anorganische halfgeleiders bieden moleculaire materialen een ongelooflijke flexibiliteit. Daardoor kunnen we geheel nieuwe structuren ontwerpen, zoals chirale LED’s. Het is alsof je werkt met een Lego-set met elke vorm die je maar kunt bedenken, in plaats van alleen rechthoekige stenen.”

Spiraalpatroon

De halfgeleider is gebaseerd op een materiaal genaamd triazatruxeen (TAT) dat zichzelf assembleert tot een spiraalvormige stapel. Daardoor kunnen elektronen langs de structuur glijden in een spiraalpatroon, zoals langs de schroefdraad van een schroef.“Wanneer TAT wordt geactiveerd door blauw of ultraviolet licht, zendt het helder groen licht uit met sterke circulaire polarisatie. Het is een effect dat tot nu toe moeilijk te bereiken was in halfgeleiders”, zegt co-eerste auteur Marco Preuß van de TU/e. “De structuur van TAT zorgt ervoor dat elektronen efficiënt kunnen bewegen en beïnvloedt hoe licht wordt uitgezonden.”

OLED

Door OLED-fabricagetechnieken aan te passen, hebben de onderzoekers TAT met succes opgenomen in werkende OLED’s met circulair gepolariseerde OLED’s (CP-OLED’s). Deze apparaten zijn de beste in hun soort, omdat ze recordniveaus halen in efficiëntie, helderheid en polarisatie. “We hebben in wezen het standaardrecept verbeterd voor het maken van OLED’s zoals we in onze smartphones hebben. We kunnen nu een chirale structuur vangen in een stabiele, niet-kristalliserende matrix”, zegt co-eerste auteur Rituparno Chowdhury van het Cavendish Laboratory in Cambridge. “Dit biedt een praktische manier om circulair gepolariseerde LED’s te maken. Het is iets dat het vakgebied al lang voor elkaar probeert te krijgen.”

Jarenlange samenwerking

Het werk maakt deel uit van een decennialange samenwerking tussen de onderzoeksgroep van Friend en de groep van professor Bert Meijer van de Technische Universiteit Eindhoven. “Dit is een echte doorbraak in het maken van een chirale halfgeleider”, zegt Meijer. “Door de moleculaire structuur zorgvuldig te ontwerpen, hebben we de chiraliteit van de structuur gekoppeld aan de beweging van de elektronen en dat is nog nooit eerder op dit niveau gedaan.” De chirale halfgeleiders vertegenwoordigen een stap voorwaarts in de wereld van organische halfgeleiders, die nu een industrie vertegenwoordigen met een waarde van meer dan 60 miljard USD.

Impact

Naast beeldschermen heeft deze ontwikkeling mogelijk ook impact op kwantumcomputing en spintronics – een onderzoeksgebied dat de spin, of het inherente impulsmoment, van elektronen gebruikt om informatie op te slaan en te verwerken, wat mogelijk kan leiden tot snellere en veiligere computersystemen. Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door het Marie Curie Training Network van de Europese Unie en de European Research Council.

Bron: TU/e

Openingsfoto: Microscoopbeeld van de groen-fluorescerende geordende gebieden na kristallisatie in het OLED-apparaat. Beeld: Ritu Chowdhury

Lees ook: TNO investeert in Ierse startup die Quantum System-on-Chip ontwikkelt