Halvledare är material som kan styras så att de antingen leder elektrisk ström eller inte gör det, vilket gör att de kan fungera som strömbrytare i modern elektronik. Nästan all elektronik bygger i dag på halvledare som består av kiselplattor.

Produktionen av kiselbaserade halvledare sker ofta i Kina, under svåra miljöförhållanden. Kemikalier som är giftiga för miljön används i framställningen liksom koleldning. Tillverkningen kräver energislukande temperaturer på över 1 000 grader och frätande vätefluorid tillsätts för att avlägsna orenheter i kiselmaterialet. Av de skälen finns det ett stort intresse i världen för andra, mer miljövänliga halvledarmaterial.

Alexander Gillett är född i brittiska Reading utanför London och har doktorerat i fysik vid University of Cambridge, där han först var universitetsstudent och sedan forskade under sammanlagt nio år. Som Wallenberg Academy Fellow är han nu verksam vid Linköpings universitet.

Ska ta sig an svagheter

Sedan sommaren 2024 leder han en forskargrupp som studerar en annan typ av halvledare, nämligen organiska halvledare. De upptäcktes för över 30 år sedan och ökar nu i popularitet i världen.

Organiska halvledare är kolbaserade. De leder elektrisk ström via polymerer eller halvledande plaster, bestående av främst kolatomer. Gruppens mål är nu att studera svagheter i olika organiska halvledare i syfte att på djupet förstå hur de fungerar och därefter gå vidare och förbättra halvledarnas egenskaper.

Gillett är särskilt intresserad av organiska halvledare som kan omvandla elektricitet till ljus – och tvärtom omvandla ljus till elektrisk ström. De används i dag kommersiellt, i exempelvis lysdioder i LED- och OLED-skärmar och även i solpaneler.

OLED-dioder byggs av tunna organiska halvledarskikt som på en glasskiva liknar utstruken färg. Inuti dessa lager omvandlas elektricitet till ljuspartiklar eller fotoner i alla möjliga färger på ett energieffektivt sätt.

Sol blir el

I solpaneler däremot är processen den omvända. Där adsorberar de organiska halvledarskikten solljus och omvandlar det till elektrisk ström.

–  Men den underliggande fysiken i processerna liknar varandra väldigt mycket, konstaterar han.

Att skapa energieffektivt blått ljus i OLED-skärmar är en stor utmaning inom halvledarforskningen som vi vill försöka att hitta lösningar på.

Han hoppas nu att gruppens forskning ska leda till att en ny och innovativ generation av mer energisnåla organiska halvledare kan skapas, vilket skulle få stor betydelse för hållbarheten för många elektroniska komponenter. Samtidigt saknar inte utvecklingen av nya halvledare utmaningar, menar Alexander Gillett, som nu försöker lösa flera problem med hur organiska halvledare fungerar.

En utmaning har att göra med det blå ljuset.

Blå pixlar utmanar

Medan gröna och röda OLED-dioder kan hålla i tusentals timmar, kräver de blå ljuspixlarna i OLED-lysdioder betydligt mer energi för att alstras. Det gör att de blir mer kortvariga och ger sämre hållbarhet över tid jämfört med röda och gröna pixlar, uppger Gillett.

– Att skapa energieffektivt blått ljus i OLED-skärmar är en stor utmaning inom halvledarforskningen som vi vill försöka att hitta lösningar på.

De kolbaserade halvledarna är i sig relativt enkla att modifiera i syfte att ändra vilken färg som de absorberar och lyser med. Själva absorptionen av ljus sker också under mycket korta tidskalor. För att förstå mer av processerna använder Alexander Gillett och hans medarbetare sig därför av ultrasnabba lasrar.

Med hjälp av korta pulsar av laserljus så snabba som en miljondels miljarddels sekund, får de fram bildserier som visualiserar skeenden inuti halvledarmaterialen. På så vid hoppas de förstå mer om hur ljus sänds ut och med hjälp av den kunskapen sedan också kunna minska energiåtgången.

En annan utmaning inom forskningen på halvledare rör hur kemiska bindningar mellan kolatomer i dessa material rör sig eller vibrerar.

Vad styr dessa rörelser och hur kan de påverka materialens egenskaper?

– Vi kommer bland annat att använda optisk laserspektroskopi inom det infraröda området för att undersöka den mycket snabba rörelseenergin i bindningarna och se om vi också kan driva på och styra halvledarnas egenskaper, förklarar Alexander Gillett. Även här vill de undersöka om det går att göra halvledarna mer energieffektiva.

Vad heter då de olika organiska halvledarmaterialen?

– De har väldigt kryptiska namn. Vanligtvis är de döpta efter personer som tillverkat dem men inte alltid. En som är internationellt populär heter exempelvis Y6 och en annan PM6, och det är väldigt vanligt att man kombinerar skikt av dessa två när man bygger halvledare.

Alexander Gillett samarbetar också med andra akademiska halvledarforskare i Storbritannien, USA, Tyskland, Kina och i Sverige. Men han har också kontakter med exempelvis ett företag som använder organiska halvledare i applikationer som adsorberar ljus inomhus.

Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström