Vand skaber fælder i organisk elektronik

Organiske halvledere af dårlig kvalitet kan blive til halvledere af høj kvalitet, når de fremstilles på den korrekte måde. Forskere ved Linköping Universitet viser i en artikel i Nature Materials, at bevægelsen af ​​ladninger i organiske elektroniske enheder er dramatisk bremset af små mængder vand.

Opdagelsen af, at organiske materialer, såsom polymerer, kan fungere som halvledere førte til en Nobelpris i kemi i 2000. Siden da har forskning inden for organisk elektronik er virkelig eksploderet, ikke mindst på Linköpings Universitet, som er hjemsted for verdensførende forskning på området.

Organiske halvledere, imidlertid, ikke lede strøm så effektivt som, for eksempel, halvledere af silicium eller andre uorganiske materialer. Forskerne har opdaget, at en af ​​årsagerne til dette er dannelsen af ​​fælder i de organiske materialer, hvori ladningsbærerne sidder fast. Adskillige forskergrupper rundt om i verden har arbejdet hårdt for ikke kun at forstå, hvor fælderne er placeret, men også hvordan de kan elimineres.

"Der er fælder i alle organiske halvledere, men de er sandsynligvis et større problem i n-type materialer, da disse generelt er dårligere halvledere end p-type materialer", siger Martijn Kemerink, professor i anvendt fysik i Division for komplekse materialer og enheder ved Linköpings universitet.

Materialer af p-typen har en positiv ladning, og ladningsbærerne består af huller, mens materialer af n-typen har ladningsbærere i form af elektroner, hvilket giver materialet en negativ ladning.

Martijn Kemerink og hans kolleger ved Linköpings Universitet har konkluderet, at vand er skurken i stykket. Specifikt, vandet menes at sidde i nanometerstore porer i det organiske materiale og optages fra miljøet.

"I et p-type materiale flugter dipolerne i vandet med deres negative ender mod hullerne, som er positivt ladet, og energien i hele systemet sænkes. Man kan sige, at dipolerne indlejrer ladningsbærerne sådan, at de ikke kan gå nogen steder længere", siger Martijn Kemerink.

For n-type materialer, vandet orienterer sig den anden vej rundt, men effekten er den samme, anklagen er fanget.

Der er udført forsøg, hvor materialet opvarmes, at tørre det ud og få vandet til at forsvinde. Det fungerer fint et stykke tid, men materialet optager efterfølgende vand fra den omgivende luft, og meget af fordelen ved tørring forsvinder.

"Jo mere vand, jo flere fælder. Vi har også vist, at jo tørrere filmene kan fremstilles, jo bedre ledere er de. Det teoretiske arbejde af Mathieu Linares bekræftede kvantitativt vores ideer om, hvad der foregik, det, der var meget tilfredsstillende. Vores artikel i Nature Materials viser ikke kun, hvordan man får vandet ud, men også hvordan man sørger for, at vandet forbliver ude, for at producere et organisk materiale med stabil ledningsevne."

For at forhindre genoptagelse af vand i materialet, når det er blevet tørret, forskerne har også udviklet en måde at fjerne de hulrum, som vandmolekyler ellers ville være trængt ind i. Denne metode er baseret på en kombination af opvarmning af materialet i nærvær af et egnet organisk opløsningsmiddel.

"Materialer, der tidligere blev anset for at være ekstremt dårlige halvledere, kan i stedet blive gode halvledere, så længe de er fremstillet i en tør atmosfære. Vi har vist, at tørforberedte materialer har en tendens til at forblive tørre, mens materialer, der er fremstillet i nærvær af vand, kan tørres. Sidstnævnte er, imidlertid, ekstremt følsom over for vand. Dette gælder for de materialer, vi har testet, men der er intet, der tyder på, at andre organiske halvledende materialer opfører sig anderledes", siger Martijn Kemerink.