ENGINEERINGNET.BE - In de natuur hebben moleculen vaak een chirale structuur: net als mensenhanden zijn chirale moleculen spiegelbeelden van elkaar.
Chiraliteit speelt een belangrijke rol in biologische processen zoals DNA-vorming, maar het is een moeilijk fenomeen om te benutten en te beheersen in elektronica.
Door gebruik te maken van moleculaire ontwerptrucs, die geïnspireerd zijn op de natuur, waren de onderzoekers in staat om een chirale halfgeleider te creëren door stapels halfgeleidende moleculen aan te duwen om geordende rechtshandige of linkshandige spiraalkolommen te vormen.
“In tegenstelling tot stijve anorganische halfgeleiders bieden moleculaire materialen een enorme flexibiliteit, waardoor we geheel nieuwe structuren kunnen ontwerpen, zoals chirale LED's”, zegt professor Sir Richard Friend van het Cavendish Laboratory in Cambridge.
De halfgeleider is gebaseerd op een materiaal genaamd triazatruxeen (TAT) dat zichzelf assembleert tot een spiraalvormige stapel, waardoor elektronen langs de structuur kunnen 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, een effect dat tot nu toe moeilijk te bereiken was in halfgeleiders”, zegt onderzoeker Marco Preuß van TU Eindhoven.
“De structuur van TAT zorgt ervoor dat elektronen efficiënt kunnen bewegen en beïnvloedt hoe licht wordt uitgezonden.”
Door OLED-fabricagetechnieken aan te passen, hebben de onderzoekers TAT met succes opgenomen in werkende OLED’s met circulair gepolariseerde OLED’s. Deze apparaten zijn de beste in hun soort, omdat ze recordniveaus halen in efficiëntie, helderheid en polarisatie.
“We kunnen nu een chirale structuur vangen in een stabiele, niet-kristalliserende matrix”, zegt onderzoeker Rituparno Chowdhury van het Cavendish Laboratory in Cambridge. “Dit biedt een manier om circulair gepolariseerde LED's te maken, iets dat het vakgebied al lang voor elkaar probeert te krijgen.”
Professor Bert Meijer van TU Eindhoven: “Dit is een doorbraak in het maken van een chirale halfgeleider. Door de moleculaire structuur zorgvuldig te ontwerpen, hebben we de chiraliteit van de structuur gekoppeld aan de beweging van de elektronen. Dat is nog niet 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 ruim 60 miljard USD.
Naast beeldschermen heeft deze ontwikkeling mogelijk ook impact op kwantumcomputing en spintronics, 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 is mede mogelijk gemaakt door het Marie Curie Training Network van de EU en de European Research Council.
Op de illustratie boven:
Links: foto van de groene OLED met schematische weergave van circulair gepolariseerde fotonen. (Foto: Seung-Je Woo)
Midden: microscoopbeeld van de groen-fluorescerende geordende gebieden na kristallisatie in het OLED-apparaat. (Beeld: Ritu Chowdhury)
Rechts: schematische weergave van de spiraalvormige gestapelde structuur van de organische halfgeleider.
