Organische elektronica maken zoals koffievlekken opdrogen

flexibele zonnecellen, wordt gemaakt door een dun laagje vloeistof aan te brengen waarin een polymeer is opgelost. De verdamping van de vloeistof is bepalend voor de dikte van het laagje polymeer dat achterblijft, en die dikte is heel belangrijk voor het uiteindelijke functioneren van de zonnecel. Bèr Wedershoven ontwikkelde een reeks technieken waarmee hij het dit proces nauwkeurig kan controleren. Hij is hiermee in staat om minuscule patronen te maken, net zoals aan de rand van een opdrogende koffievlek donkere randen ontstaan. Wedershoven promoveerde woensdag 6 december cum laude op zijn onderzoek.

Een van de manieren die Wedershoven ontwikkelde om de dikte van het laagje polymeer te bepalen dat achterblijft, is door te ‘blazen’. Daardoor verdampt er meer vloeistof op de plek waar geblazen wordt, waardoor er extra polymeer stroomt naar die plek en de uiteindelijke laag daar dikker wordt. Hij ontwikkelde hiervoor een spuitkop die droge lucht blaast en direct daaromheen de bevochtigde lucht wegzuigt. De patronen hadden een afmeting van 1 millimeter, en naar verwachting kan het nog 10 keer zo klein.

Wedershoven kreeg het ook voor elkaar om spontaan patronen te laten ontstaan, op een plaat die uit een bak oplosmiddel gehaald wordt. Wanneer de plaat langzaam omhoog getrokken wordt uit de vloeistof, blijft de vloeistof een beetje plakken aan de plaat en verdampt tegelijkertijd. Hierdoor ontstaat een rimpelpatroon, maar alleen als de plaat met een bepaalde snelheid omhoog uit de vloeistof wordt gehaald. De rimpelingen hebben een breedte van zo’n 100 micrometer.

Het lokaal bevochtigen van een plaat is een vaak voorkomende stap in micro-elektronicaproductie. Hiervoor wordt de plaat, die in principe alleen op bepaalde plaatsen water vasthoudt, ondergedompeld. Maar als de plaat te snel uit de vloeistof wordt getrokken, blijft ook vloeistof zitten op plaatsen waar het niet gewenst is. Aan de andere kant is snelheid in de industrie wenselijk. Wedershoven ontwikkelde een manier om toch hogere snelheden te halen: door met een infrarood-laser te schijnen op de rand van de terugtrekkende vloeistof op de plaat. Hierdoor neemt de viscositeit af - ofwel de vloeibaarheid neemt toe – waardoor de vloeistof makkelijker kan bewegen en er geen water achterblijft bij een hogere snelheid.

Met deze methode bleek het ook mogelijk om diktevariaties aan te brengen in een laagje vloeistof. Door het te beschijnen met infrarood-laser verlaagt de oppervlaktespanning, waardoor de vloeistof wordt weggedrukt en de laag dunner wordt. Wedershoven ontwikkelde ook een variant die precies het tegenovergestelde doet: beschijnen met een UV-straling. Hierdoor vindt een fotochemische reactie plaats in de vloeistof, en het reactieproduct zorgt voor een verhoging van de oppervlaktespanning. Daardoor stroomt er vloeistof naar de plaats van belichting, waardoor een dikkere laag ontstaat. 

Bijzonderheid aan het onderzoek is dat elk beschreven proces zowel experimenteel als met behulp van uitgebreide numerieke modellen is bestudeerd. Bèr Wedershoven deed zijn onderzoek in de groep van prof.dr. Anton Darhuber. Het werk is onderdeel van het NWO-programma ‘Active control of solution processing of organic electronic devices’.