Organisk elektronik:Forskere udvikler en højtydende unipolær n-type tyndfilmstransistor

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) rapporterer om en unipolær n-type transistor med en banebrydende elektronmobilitetsydelse på op til 7,16 cm ² V ^-1 s ^-1 . Denne præstation varsler en spændende fremtid for organisk elektronik, herunder udvikling af innovative fleksible skærme og bærbare teknologier.

Forskere verden over er på jagt efter nye materialer, der kan forbedre ydeevnen af ​​de grundlæggende komponenter, der er nødvendige for at udvikle organisk elektronik.

Nu, et forskerhold ved Tokyo Tech's Department of Materials Science and Engineering, herunder Tsuyoshi Michinobu og Yang Wang, rapporterer om en måde at øge elektronmobiliteten af ​​halvledende polymerer, som tidligere har vist sig svære at optimere. Deres højtydende materiale opnår en elektronmobilitet på 7,16 cm2 V-1 s-1, svarende til mere end en stigning på 40 procent i forhold til tidligere sammenlignelige resultater.

I deres undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , de fokuserede på at forbedre ydeevnen af ​​materialer kendt som n-type halvledende polymerer. Disse n-type (negative) materialer er elektrondominerende, i modsætning til p-type (positive) materialer, der er huldominerende. "Da negativt ladede radikaler er iboende ustabile i forhold til dem, der er positivt ladede, at producere stabile n-type halvledende polymerer har været en stor udfordring inden for organisk elektronik, ”Forklarer Michinobu.

Forskningen adresserer derfor både en grundlæggende udfordring og et praktisk behov. Wang bemærker, at mange organiske solceller, for eksempel, er fremstillet af halvledende polymerer af p-type og n-type fullerenderivater. Ulempen er, at sidstnævnte er dyre, svært at syntetisere og inkompatibel med fleksible enheder. "For at overvinde disse ulemper, " han siger, "Højtydende n-type halvledende polymerer er meget ønskede for at fremme forskningen i solceller med helt polymer."

Holdets metode involverede anvendelse af en række nye poly(benzothiadiazol-naphthalendiimid)-derivater og finjustering af materialets rygradskonformation. Dette blev gjort muligt ved introduktionen af ​​vinylenbroer, der er i stand til at danne hydrogenbindinger med tilstødende fluor- og oxygenatomer. Introduktionen af ​​disse vinylenbroer krævede en teknisk bedrift for at optimere reaktionsbetingelserne.

Samlet set, det resulterende materiale havde en forbedret molekylær emballagerækkefølge og større styrke, hvilket bidrog til den øgede elektronmobilitet.

Ved hjælp af teknikker som f.eks. Græsning-forekomst vidvinkel-røntgenspredning (GIWAXS), forskerne bekræftede, at de opnåede en ekstremt kort π-π stableafstand på kun 3,40 ångstrøm. "Denne værdi er blandt de korteste for organiske halvledende polymerer med høj mobilitet, " siger Michinobu.

Der er flere udfordringer tilbage. "Vi er nødt til at optimere rygradsstrukturen yderligere, " fortsætter han. "Samtidig, sidekædegrupper spiller også en væsentlig rolle ved bestemmelse af krystalliniteten og pakningsorienteringen af ​​halvledende polymerer. Vi har stadig plads til forbedringer."

Wang påpeger, at de laveste ubesatte molekylære orbitalniveauer (LUMO) var placeret ved -3,8 til -3,9 eV for de rapporterede polymerer. "Efterhånden som dybere LUMO-niveauer fører til hurtigere og mere stabil elektrontransport, yderligere design, der introducerer sp2-N, fluor- og chloratomer, for eksempel, kunne hjælpe med at opnå endnu dybere LUMO niveauer, " han siger.

I fremtiden, forskerne vil også sigte mod at forbedre luftstabiliteten af ​​n-kanal transistorer - et afgørende spørgsmål for at realisere praktiske anvendelser, der vil omfatte komplementære metal-oxid-halvleder (CMOS)-lignende logiske kredsløb, solceller i helt polymer, organiske fotodetektorer og organisk termoelektrik.