Bare tilsæt vand - Kemikere afslører en mekanisme bag doping af organiske halvledere

Halvledere – og vores beherskelse af dem – har gjort os i stand til at udvikle den teknologi, der understøtter vores moderne samfund. Disse enheder er ansvarlige for en bred vifte af elektronik, inklusive printkort, computerchips og sensorer.

Den elektriske ledningsevne af halvledere falder mellem dem af isolatorer, som gummi, og dirigenter, ligesom kobber. Ved at dope materialerne med forskellige urenheder, videnskabsmænd kan kontrollere en halvleders elektriske egenskaber. Det er det, der gør dem så nyttige i elektronik.

Forskere og ingeniører har udforsket nye typer af halvledere med attraktive egenskaber, der kan resultere i revolutionerende innovationer. En klasse af disse nye materialer er organiske halvledere (OSC'er), som er baseret på kulstof frem for silicium. OSC'er er lettere og mere fleksible end deres konventionelle modstykker, ejendomme, der egner sig til alle mulige mulige anvendelser, såsom fleksibel elektronik, for eksempel.

I 2014 UC Santa Barbaras professor Thuc-Quyen Nguyen og hendes laboratorium rapporterede først om doping af OSC'er ved hjælp af Lewis-syrer for at øge ledningsevnen af ​​nogle halvledende polymerer; imidlertid, ingen vidste, hvorfor denne stigning skete indtil nu.

Gennem et samarbejde, Nguyen og hendes collager har analyseret denne mekanisme, og deres uventede opdagelse lover at give os større kontrol over disse materialer. Arbejdet blev støttet af Department of Energy, og resultaterne fremgår af tidsskriftet Naturmaterialer .

Forskere ved UC Santa Barbara samarbejdede med et internationalt hold fra University of Kentucky, Humboldt University of Berlin og Donghua University i Shanghai. "Dopingmekanismen ved hjælp af Lewis-syrer er unik og kompleks; derfor, det kræver en holdindsats, " forklarede Nguyen.

"Det er, hvad dette papir handler om, " sagde hovedforfatter Brett Yurash, en doktorgradskandidat i Nguyens laboratorium, "at finde ud af, hvorfor tilføjelse af dette kemikalie til den organiske halvleder øger dens ledningsevne."

"Folk troede, det bare var Lewis-syren, der virkede på den organiske halvleder, " forklarede han. "Men det viser sig, at du ikke får den effekt, medmindre der er vand til stede."

Tilsyneladende, vand formidler en central del af denne proces. Lewis-syren fanger et brintatom fra vandet og sender det over til OSC. Den ekstra positive ladning gør OSC-molekylet ustabilt, så en elektron fra et nabomolekyle migrerer over for at ophæve ladningen. Dette efterlader et positivt ladet "hul", som så bidrager til materialets ledningsevne.

"Det faktum, at vand overhovedet spillede en rolle, var virkelig uventet, " sagde Yurash, avisens hovedforfatter.

De fleste af disse reaktioner udføres i kontrollerede miljøer. For eksempel, forsøgene på UC Santa Barbara blev udført under tørre forhold under en nitrogenatmosfære. Der skulle slet ikke være nogen fugt i kammeret. Imidlertid, tydeligvis var der kommet fugt ind i kassen med de andre materialer. "Bare en lille smule vand er alt, der skulle til for at have denne dopingeffekt, " sagde Yurash.

Videnskabsmænd, ingeniører og teknikere skal være i stand til kontrollerbart at dope en halvleder, for at det er praktisk. "Vi har fuldstændig mestret silicium, " sagde han. "Vi kan dope det præcis den mængde, vi ønsker, og det er meget stabilt." I modsætning hertil, kontrollerbar doping af OSC'er har været en kæmpe udfordring.

Lewis-syrer er faktisk ret stabile dopingmidler, og holdets resultater gælder ret bredt, ud over blot de få OSC'er og syrer, de testede. Det meste af OSC-dopingarbejdet har brugt molekylære dopingmidler, som ikke let opløses i mange opløsningsmidler "Lewis-syrer, på den anden side, er opløselige i almindelige organiske opløsningsmidler, billig, og fås i forskellige strukturer, " forklarede Nguyen.

Forståelse af mekanismen på arbejde bør gøre det muligt for forskere målrettet at designe endnu bedre dopingmidler. "Dette bliver forhåbentlig springbrættet, hvorfra flere ideer lanceres, " sagde Yurash. Til sidst, teamet håber, at disse indsigter hjælper med at skubbe organiske halvledere mod en bredere kommerciel realisering.