Små molekyler, kæmpe (overflade) potentiale

I en molekylær bedrift, der ligner at få fodgængere i et travlt fodgængerfelt til spontant at begynde at gå i takt, har forskere ved Kyushu University skabt en række molekyler, der har en tendens til at vende den samme retning for at danne et "gigantisk overfladepotentiale", når de fordamper på en overflade.

Forskerne håber at kunne bruge tilgangen til at generere kontrollerede elektriske felter, der hjælper med at forbedre effektiviteten af ​​organiske lysemitterende dioder, der bruges i displays og belysning, og åbne nye ruter for at realisere enheder, der omdanner vibrationer til elektricitet med organiske materialer.

Baseret på kulstofs fantastiske kemiske alsidighed, der gør levende organismer mulige, driver organisk elektronik allerede en bølge af levende – og endda fleksible – smartphone- og tv-skærme med applikationer i solceller, lasere og kredsløb i horisonten.

Denne fleksibilitet skyldes til dels den uordnede natur af de tynde film af de materialer, der anvendes i indretningerne. I modsætning til almindelig uorganisk elektronik baseret på siliciumatomer, der er tæt forbundet i stive, velorganiserede krystaller, danner organiske stoffer normalt 'amorfe' lag, der ikke er nær så pænt organiseret.

På trods af den tilsyneladende tilfældige organisering af molekylerne, har forskere fundet ud af, at nogle faktisk har en tendens til at tilpasse sig i lignende retninger, hvilket i høj grad påvirker en enheds egenskaber og skaber nye muligheder for at kontrollere enhedens ydeevne.

"Betydende arbejde er allerede blevet udført på molekyler, der justerer på en måde, så det lys, de udsender, lettere kan undslippe en enhed," siger Masaki Tanaka, en assisterende professor ved Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT), som startede dette arbejde, mens ved Kyushu University's Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) og fortsatte yderligere undersøgelse af den molekylære tilpasning i amorfe film efter hans overførsel til TUAT.

"Men andre molekyler var kendt for at justere på en måde, der placerer flere af deres elektroner på den ene side af laget, hvilket fører til et såkaldt overfladepotentiale ledsaget af et elektrisk felt. Dette felt kan hjælpe ladninger med at bevæge sig ind i eller ud af en enhed for at gøre den mere effektiv eller låse op for nye elektriske egenskaber, men det har været en udfordring at finde måder at kontrollere dannelsen af ​​feltet på."

Film, der bruges i organisk elektronik, er normalt kun titusinder af nanometer tykke - en brøkdel af tykkelsen af ​​et menneskehår - og bygges ofte gradvist op ved først at opvarme et organisk pulver i et vakuum, så det direkte ændres fra et fast stof til en gas, en proces kendt som sublimering. Når molekyler af det sublimerede pulver når en kølig overflade, klæber de til et lag.

"I gasfasen roterer molekylerne tilfældigt og støder ind i hinanden, så de vil sandsynligvis aflejre sig i en tilfældig retning på en film," forklarer Morgan Auffray, der har syntetiseret molekylerne. "Vi fandt dog ud af, at visse molekylære enheder med fluoratomer dybest set vil afvise væk fra aflejringsoverfladen. Ved at inkludere disse enheder i et molekyle kan vi få de aflejrede molekyler til nogenlunde at justere, så de fluorerede enheder vender udad."

Forskerne vedhæftede derefter dele, der skubber og trækker negativt ladede elektroner mod eller væk fra den fluorerede enhed. Denne ubalance af ladninger på tværs af de justerede molekyler på en overflade fører til det såkaldte overfladepotentiale og et resulterende elektrisk felt.

"Da de aflejrede molekyler og deres tilhørende elektriske felter peger i en lignende retning, tilføjer de enkelte små felter et meget større samlet felt," siger Tanaka. "Vi kan ikke kun få et relativt større felt, men vi kan få det til at pege mod overfladen, hvilket er sjældent rapporteret indtil videre."

Disse lag giver et gigantisk overfladepotentiale på næsten 10 V, hvilket er særligt imponerende, når man tænker på, at det blev produceret spontant af en film, der kun var 100 nm tyk.

En så stor spænding over så lille en tykkelse producerer et højt elektrisk felt, der kan hjælpe med at få positive og negative ladninger ind i de forskellige lag af enheder som OLED'er, og dermed forbedre den samlede effektkonverteringseffektivitet.

Desuden kunne disse kontrollerede, indbyggede elektriske strukturer hjælpe med at realisere nye enheder. Forskerne har allerede demonstreret, at lagene kunne bruges i en ny type enhed, der konverterer vibrationer til elektricitet, men der er mere arbejde tilbage for at gøre sådanne enheder praktiske.

"Videnskaben bliver ved med at vise os nye måder at kontrollere elektriske processer på i mindre og mindre skala ved at arrangere atomer i organiske molekyler," siger Chihaya Adachi, direktør for OPERA. "Denne forskning tilføjer til vores værktøjstaske, som vil gøre nye enheder mulige, efterhånden som den fortsætter med at vokse."

Forskningen blev offentliggjort i Nature Materials . + Udforsk yderligere

Ekstraordinært tykke organiske lysemitterende dioder løser nagende problemer