Afdækning af fysikken i, hvordan elektroner skærmer mod ledningsevnedræber i organiske halvledere

Californiens Silicon Valley og Utahs Silicon Slopes er opkaldt efter det element, der er mest forbundet med halvledere, rygraden i computerrevolutionen. Alt computerstyret eller elektronisk afhænger af halvledere, et stof med egenskaber, der leder elektrisk strøm under visse forhold. Traditionelle halvledere er lavet af uorganiske materialer – som silicium – der kræver enorme mængder vand og energi at producere.

I årevis har forskere forsøgt at lave miljøvenlige alternativer ved hjælp af organiske materialer, såsom polymerer. Polymerer dannes ved at binde små molekyler sammen for at lave lange kæder. Polymerisationsprocessen undgår mange af de energikrævende trin, der kræves i traditionel halvlederfremstilling og bruger langt mindre vand og færre gasser og kemikalier.

De er også billige at lave og ville muliggøre fleksibel elektronik, bærbare sensorer og biokompatible enheder, der kunne introduceres inde i kroppen. Problemet er, at deres ledningsevne, selvom den er god, ikke er så høj som deres uorganiske modstykker.

Alle elektroniske materialer kræver doping, en metode til at infundere molekyler i halvledere for at øge ledningsevnen. Forskere bruger molekyler kaldet dopanter til at definere de ledende dele af elektriske kredsløb. Doping i organiske materialer har irriteret videnskabsmænd på grund af manglende konsistens – nogle gange forbedrer dopingmidler ledningsevnen, mens de andre gange gør det værre.

I en ny undersøgelse har forskere fra University of Utah og University of Massachusetts Amherst afsløret den fysik, der driver doping- og polymerinteraktioner, som forklarer det inkonsekvente ledningsevneproblem.

Holdet opdagede, at positivt ladede bærere trækker negativt ladede dopingstoffer fra polymerkæderne, hvilket forhindrer strømmen af ​​elektrisk strøm og tanker materialets ledningsevne. Deres eksperimenter afslørede dog, at når nok dopanter blev sprøjtet ind i systemet, ændrede elektronernes adfærd sig til at fungere som en kollektiv skærm mod tiltrækningskræfterne, hvilket tillod resten af ​​elektronerne at flyde uhindret.

"Det ideelle tilfælde ville være at dumpe en masse frie elektroner i materialet for at udføre arbejdet med at lede. Det kan vi selvfølgelig ikke - vi er nødt til at bruge molekyler til at forsyne elektronerne," sagde Zlatan Akšamija, lektor i materialer. videnskab og teknik ved U og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores næste skridt er at finde de kombinationer af dopingmiddel og organisk materiale, der kan svække den interaktion og gøre ledningsevnen endnu højere. Men vi forstod ikke den interaktion godt nok til at kunne tackle det før nu."

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Dopingsafts ledningsevne

Elektricitet er en strøm af elektroner. Silicium i sig selv er en dårlig leder - fire elektroner i den ydre orbital danner perfekte kovalente bindinger med nærliggende siliciumatomer og efterlader ingen frie elektroner. Her er hvor doping kommer ind i billedet. Tilføjelse af en urenhed til silicium kan gøre to ting:Bidrage ekstra elektroner ind i systemet eller reducere elektroner i systemet, hvilket skaber positivt ladede bærere kaldet huller.

For eksempel er arsen et almindeligt dopingmiddel, fordi det har fem elektroner i sin ydre orbital - fire vil binde sig til siliciumet, og den femte forbliver fri. Til sidst vil dopingstofferne bidrage med nok frie elektroner til at lade en elektrisk strøm strømme gennem siliciumet.

I modsætning til silicium har organiske materialer en uordnet struktur i deres polymerkæder, hvilket resulterer i komplicerede interaktioner mellem doteringsmidlets ekstra elektroner og det polymeriserede materiale, forklarede Akšamija.

"Forestil dig, at polymerer er en skål spaghetti. De stables ikke rigtigt perfekt. På grund af det er elektronerne tvunget til at hoppe fra den ene del af polymeren til den anden og over på den næste kæde, skubbet af spænding," sagde han.

Hvert dopingmiddel bidrager med en elektron ind i systemet ad gangen, hvilket betyder, at elektronerne, der hopper gennem polymeren, i første omgang fortyndes. Hvis en elektron hopper langs kæden og passerer i nærheden af ​​et dopingmiddel, vil de modsatte ladninger tiltrække hinanden og få elektronen til at bevæge sig ud af kurs og forstyrre den elektriske strøm.

Afsløringen af ​​denne undersøgelse var at konstatere, at denne adfærd ændrede sig med en kritisk masse af elektroner i systemet - når en tærskel er overskredet, reagerer bunken af ​​elektroner kollektivt. Når en gruppe elektroner passerer et dopingmiddel, trækkes nogle mod ladningen og skaber en skærm, der blokerer resten af ​​elektronerne i at mærke interaktionen.

"Og det er her, screeningen virkelig gør arbejdet med at blokere dopingstofferne. Bærerne screener dopstofferne væk, hvilket gør det lettere for andre bærere at hoppe rundt mere effektivt. Dette papir beskriver den fysiske mekanisme, hvorved dette sker," sagde Akšamija.

Eksperimentering og teori

UMass Amherst-kemikerne kørte de fysiske eksperimenter. De brugte to typer polymerer, der havde strukturer, der var mere og mindre uordnede. De brugte derefter et opløsningsmiddel og lagde det på et tyndt lag glas. De dopede derefter polymeren med joddampe. En fordel ved jod er, at det er ustabilt - over tid mister polymeren gradvist dopingmolekyler til fordampning.

"Dette var nyttigt til eksperimenter, fordi vi kan blive ved med at måle polymerens ledningsevne i løbet af 24 eller 48 timer. Denne protokol giver os en kurve for ledningsevnen som funktion af, hvor mange dopingstoffer der er tilbage i materialet," sagde Dhandapani Venkataraman , professor i kemi ved UMASS Amherst og medforfatter til undersøgelsen.

"Det er et smart trick at få adgang til næsten fire størrelsesordener af ladninger i ledningsevne fra lave, mellemstore versus høje koncentrationer af dopingstoffer ... helt ned til at være tilbage til sin oprindelige uberørte isolerende tilstand."

Kemikerne kørte eksperimenter på to forskellige versioner af den samme polymer - en, der var mere regelmæssig, og den, der var mere uordnet. De kunne så sammenligne ledningsevnen i de to polymerer, efterhånden som dopingkoncentrationen ændrede sig.

"I begyndelsen var vi forundrede over nogle af de eksperimentelle resultater, især da vi havde et stort antal dopingmidler. Vi forventede, at den uordnede polymer ville være meget ringere end den ordnede polymer ved alle koncentrationer af dopingstofferne. Men det var ikke sag," sagde Venkataraman.

Akšamijas forskningsgruppe fokuserede på materialernes interaktioner. De var i stand til at sammenligne de forskellige forekomster af den samme polymer med større eller mindre mængder af uorden for at skelne, hvor screeningen fandt sted.

Denne screeningsadfærd var aldrig blevet betragtet som en del af organiske halvledersystemer, så de gravede papir og blyanter frem for at forstå, hvordan molekyler og ladninger interagerer ved hjælp af de første fysikprincipper:Hvad er den underliggende ligning, der styrer ladningers interaktion? Akšamijas laboratorium startede der og byggede det op igen. De oversatte derefter formlerne til kode, der simulerede elektronernes hop i nærværelse af dopingstoffer, mens de inkluderede screeningsadfærden.

"Vi var endelig konvergerede til det punkt, hvor computersimuleringerne virkelig kan fange eksperimenterne, ikke bare kvalitativt, men virkelig kvantitativt. Den eneste måde at få simuleringen og eksperimenterne til at hænge sammen var, da vi inkluderede denne effekt af screening," sagde Akšamija.

I øjeblikket bruger forfatterne kunstig intelligens til at hjælpe med at opdage nye kombinationer af polymerer og dopingmidler, der kan give den højeste ledningsevne.

Flere oplysninger: Muhamed Duhandžić et al., Carrier Screening Controls Transport in Conjugated Polymers at High Doping Concentrations, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.248101. PåarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.03726

Leveret af University of Utah