Een opvouwbare telefoon? STIBNITE ging op zoek naar de perfecte halfgeleider
Oprolbare zonnepanelen, buigbare telefoondisplays of betere computerchips… Het EU-project STIBNITE onderzocht de volgende generatie halfgeleiders, gemaakt van organische materialen gebaseerd op koolstof, stikstof en boor. Het project is nu ten einde. Tijdens het Open Science Debate op 1 juli presenteert de groep haar resultaten. Ben jij erbij?
Grafeen, een wondermateriaal bestaande uit slechts één laag koolstofatomen. Buigzaam en extreem sterk. Een mooi alternatief voor silicium, dachten de wetenschappers van STIBNITE. Silicium is namelijk niet zo flexibel en dus niet geschikt voor nieuwe toepassingen zoals een opvouwbare telefoon of flexibel beeldscherm. Ook op andere gebieden zoals efficiëntie en duurzaamheid, zou grafeen voor verbetering kunnen zorgen.
Er was echter één klein probleem, wisten de onderzoekers: grafeen is geen halfgeleider, zoals silicium dat wel is. En dat is nu precies een cruciale eigenschap voor gebruik in elektrische apparaten. ‘Grafeen geleidt eigenlijk een beetje te goed,’ vertelt professor Irene Groot van het Leiden Institute of Chemistry, één van de onderzoekers binnen het Europese consortium. ‘We zeggen dan dat grafeen geen “bandgap” heeft.’ Een bandgap is een soort energiebarrière die bepaalt of een materiaal wel of niet elektriciteit kan geleiden. Als een materiaal een grote bandgap heeft, betekent dit dat het moeilijk is voor elektronen om door het materiaal te bewegen. Het materiaal is dan minder geleidend. Kleine bandgaps maken materialen juist beter in het geleiden van elektriciteit.
Wel of geen geleider?
Bij toepassingen in de elektronica zijn halfgeleiders zoals silicium juist populair vanwege hun vermogen om elektrische stroom te regelen. Dit komt door hun bandstructuur, die zowel geleidende als niet-geleidende eigenschappen kan hebben. Door het gebrek aan een bandgap kan grafeen enkel geleiden. Dit is een beperking voor bepaalde elektronische toepassingen waarbij controle over de elektrische stroom nodig is.
'Door stoffen aan het grafeen toe te voegen, kunnen we de elektrische eigenschappen ervan veranderen'
Van grafeen naar halfgeleider
Om van grafeen toch een halfgeleider te maken, voegen wetenschappers andere stoffen toe aan het materiaal. Groot: ‘Door deze ‘onzuiverheden’ aan het grafeen toe te voegen, kunnen we de elektrische eigenschappen ervan veranderen.’ Boor (B) en stikstof (N) blijken goede opties te zijn. Maar als je grafeen combineert met boornitride (BN), gebeurt er iets raars: het materiaal splitst zich op in kleine eilandjes van grafeen en eilandjes boornitride, in plaats van één geheel te vormen. De STIBNITE-onderzoekers gingen daarom op zoek naar andere stoffen, die je kunt toevoegen zonder dat er eilandjes ontstaan. Ze onderzochten daarvoor de effecten van nieuwe, organische moleculen, die koolstof, stikstof én boor bevatten, in plaats van alleen koolstof, of alleen boor en stikstof.
'Alleen mogelijk doordat al deze experts samenwerkten'
Groot: ‘We werkten samen met experts uit diverse specialisaties binnen de natuur- en scheikunde. Experts in organische synthese, die de nieuwe organische moleculen voorbereidden; oppervlaktewetenschappers, die deze moleculen gebruikten om de materialen te maken en karakteriseren; en chemisch ingenieurs, die de materialen gebruikten om nieuwe apparaten te ontwikkelen en te testen. Samen lukte het ons om nieuwe materialen te ontwikkelen waarbij geen aparte eilandjes ontstonden. Met deze materialen hebben we zelfs al de eerste nieuwe elektrische apparaten gemaakt!’
Open Science Debat 1 juli - Praat je mee?
Tijdens het Open Science debate geven de onderzoekers van STIBNITE een kort overzicht van de resultaten van het project, gevolgd door een paneldiscussie. Het debat staat open voor iedereen die geïnteresseerd is in de scheikunde en natuurkunde van nieuwe materialen die nodig zijn voor betaalbare en milieuvriendelijke producten en apparaten.