Stroom door plastic; Negatief geladen polymeren geleiden stroom

Plastics die stroom geleiden. Door een Delftse vinding komt de toepassing ervan in elektronica en kunststofschermen een stap dichterbij.

IN POLYMEREN ZOALS polyacetyleen zitten de afzonderlijke, zich herhalende eenheden via zogenoemde dubbele bindingen aan elkaar. Een dubbele binding bevat vier elektronen. Als er elektronen worden onttrokken, ontstaan er gaten. Andere elektronen schieten dan heen en weer om de vrijkomende ruimtes op te vullen. Door die elektronen in een bepaalde richting te dwingen ontstaat er een stroom. De oorzaak van de stroom is in dit geval dus een tekort an elektronen. Onderzoekers van het Interfacultair Reactor Instituut (IRI) aan de TU Delft hebben nu aangetoond dat polymeren ook door een teveel aan negatieve lading (in de vorm van elektronen) stroom geleiden (Nature 5 maart). Deze vinding zou de toepassing van geleidende kunststoffen in bijvoorbeeld elektronica en lichtgevende kunststof schermen kunnen ondersteunen.

De meeste kunststoffen isoleren uitstekend. Niet voor niets zijn alle koperen elektriciteitsleidingen in huis ermee verpakt. Aan de andere kant zijn er ook stroomgeleidende plastics. L. Letheby maakte in 1862 op de College of London de eerste geleidende kunststof, polyaniline. Hij had er alleen geen benul van dat zijn nieuwe stofje ook stroom zou kunnen transporteren. Dat ontdekten Hideki Shirakawa, Alan Heeger en Alan MacDiarmid ruim honderd jaar later pas op de Universiteit van Pennsylvania. In 1974 maakte het drietal per ongeluk polyacetyleen, een polymeer dat glanste als zilver. Ondanks deze metaalachtige eigenschap gedroeg het polymeer zich als een isolator. Maar na drie jaar volhardend zoeken, kwam het drietal er toch achter dat polyacetyleen geleidende eigenschappen kan bezitten. Bij een experiment in 1977 brandde de stroommeter van MacDiarmid en Shirakawa door. Dat was de eerste kennismaking met de geleidbaarheid van plastic. De stroom door polyacetyleen werd een miljard keer verhoogd door er jodium in te doen, zo ontdekten de wetenschappers. Jodium onttrekt lading aan het polyacetyleen waardoor er stroom kan lopen.

Uit de experimenten in Delft blijkt nu dat ook een teveel aan elektronen de lading langs de polymeerketen in beweging kan zetten. Dat vonden de onderzoekers door PPV (polyphenyleen vinyleen) op te lossen in de isolerende vloeistof benzeen. De polymeerketens ontwarren dan en zweven door de vloeistof. Vervolgens bestralen ze het benzeen en daarmee schieten ze elektronen uit de dubbele bindingen van benzeen. De vrijkomende elektronen worden meteen ingevangen door andere benzeenmoleculen. Er zit dan dus positief en negatief geladen benzeen in de oplossing. Vanaf dat moment gaan elektronen, ook die uit de polymeerketens, heen en weer schieten om de ontstane gaten op te vullen.

Daarna voerden de Delftse onderzoekers twee verschillende experimenten uit. In het ene geval voegden ze tetra (CCl) aan de oplossing toe. Tetra trekt elektronen beter aan dan het polymeer. Dus de gaten ontstonden met name op de polymeerketens. In een tweede experiment voegden ze ammoniak (NH) toe waarmee ze een tegenovergesteld effect bewerkstelligden. In dit geval namen de polymeerketens juist makkelijker elektronen op. In beide gevallen vond men ladingsbeweging op de ketens. Tevens bleek het stroomgeleidend vermogen 100 keer hoger te zijn dan in bulk-kunststoffen, schrijven de onderzoekers in Nature.

Volgens Laurens Siebbeles van het IRI is hiermee aangetoond dat de stroomdichtheid van geleidende kunststoffen flink valt te verhogen door de koolstofketens in de stroomrichting te leggen. Als de geleidbaarheid van het bulkmateriaal net als de polymeerketens in benzeen in de buurt kan komen van amorf silicium, dan betekent dat dat zowel de lichtgevende beeldelementen als de schakelelementen in plastic LED-schermen in kunststof kunnen worden uitgevoerd.

De ontwikkeling van lichtgevende platte schermen heeft de laatste jaren grote vooruitgang geboekt. Cambridge Display Technology en Seiko Epson hebben intussen zelfs een tv-scherm ontwikkeld van lichtgevende polymeren. Het scherm is zo groot als een diaraampje (5 bij 5 cm), is 2 millimeter dik, heeft 640 bij 480 beeldpunten en kan televisie afspelen in zwart-wit.

De pixels geven momenteel nog een oranje (amber) lichtkleur, maar CDT en Seiko willen nog dit jaar een kleurenversie laten zien. Het streven is om binnen vijf jaar tot commerciële productie van tv's en computermonitoren op basis van CDT-technologie te komen.