Een nieuw plasticachtig materiaal laat elektronica werken bij 220°C zonder dat de werking verandert of vermindert. Het nieuwe materiaal is een halfgeleider die bestaat uit twee verschillende stoffen. De onderzoekers schrijven dat de halfgeleider stabiel stroom blijft geleiden als de temperatuur van 20°C naar 220°C stijgt.
Halfgeleiders zijn materialen die onder bepaalde omstandigheden geen stroom geleiden, maar die wel gemakkelijk tot geleiding gebracht kunnen worden. Dat maakt ze geschikt voor het gebruik in elektronica. Halfgeleiders zitten onder andere in computerchips, zonnecellen en leds.
Vervormingen door hitte
Hoe goed en stabiel halfgeleiders stroom geleiden, is sterk afhankelijk van de temperatuur. ‘Bij hogere temperaturen is de geleiding instabiel waardoor de eigenschappen veranderen’, zegt Jianguo Mei, universitair docent scheikunde aan Purdue University. Daardoor gedragen halfgeleidende componenten zich niet meer zoals ze bedoeld zijn. Elektronische schakelaars doen het bijvoorbeeld niet meer of schakelen op verkeerde momenten. In dunne organische halfgeleiders ontstaan die instabiliteiten doordat hitte de vorm van het materiaal verandert. ‘Wij hebben een manier onderzocht om die vervormingen te voorkomen.’
Het doel van de onderzoekers is niet enkel om de elektronica te laten werken bij extreem hoge temperaturen. Ze willen vooral elektronische onderdelen maken die stabiel blijven presteren bij grote temperatuurveranderingen.
Vervlochten polymeren
Om dit voor elkaar te krijgen combineren de onderzoekers twee materialen. Ze gebruiken hiervoor twee commercieel verkrijgbare polymeren (soorten plastic). De één is een halfgeleider en de ander een isolerend materiaal dat pas vervormt bij meer dan 220°C. Dat combineren klinkt eenvoudig. Maar de materialen moeten precies zo samengevoegd worden dat het sterke, isolerende materiaal de structuur in de juiste vorm houdt, zonder dat het de geleidbaarheid beïnvloedt. ‘We vermengen de polymeren zo dat ze een stevige, doorvlochten structuur vormen’, zegt Mei.
De verhouding van de polymerenmix voor de beste prestatie is bepaald met experimenten. Een mengsel met evenveel isolerend als halfgeleidend materiaal bleek het meest stabiel onder de geteste temperatuursverhoging van kamertemperatuur tot 220°C. Bij lage temperaturen is het materiaal niet getest. ‘Maar omdat de prestaties zo constant bleven bij verhoging van de temperatuur verwachten we hetzelfde gedrag bij temperatuurverlaging’, zegt Mei.
Auto, vliegtuig en woestijn
Dergelijke hittebestendige halfgeleiders kunnen gebruikt worden voor elektronica in extreme omstandigheden, zoals zonnepanelen in de woestijn. Ook dichter bij huis zijn er toepassingen: sensoren die auto- en vliegtuigmotoren controleren kun je nu niet te dicht bij een uitlaat plaatsen omdat de temperatuur daar te hoog is. Hittebestendige sensoren die direct op de uitlaat zitten kunnen nauwkeurige metingen doen.
