Forskere dyrker organiske halvlederkrystaller lodret for første gang

Vores smartphones, tabletter, computere og biosensorer er alle blevet forbedret på grund af halvlederes hurtigt stigende effektivitet.

Siden begyndelsen af ​​det 21. århundrede, økologisk, eller kulstofbaseret, halvledere er dukket op som et stort interesseområde for forskere, fordi de er billige, rigelig og let, og de kan lede strøm på måder, der kan sammenlignes med uorganiske halvledere, som er lavet af metaloxider eller silicium.

Nu, materialeforskere fra California NanoSystems Institute ved UCLA har opdaget en måde at gøre organiske halvledere mere kraftfulde og mere effektive.

Deres gennembrud var at skabe en forbedret struktur for én type organisk halvleder, en byggesten af ​​en ledende polymer kaldet tetraanilin. Forskerne viste for første gang, at tetraanilinkrystaller kunne dyrkes vertikalt.

Fremskridtet kan i sidste ende føre til stærkt forbedret teknologi til at opfange solenergi. Faktisk, det kunne bogstaveligt talt omforme solceller. Forskere kunne potentielt skabe "lysantenner" - tynde, stanglignende enheder, der kunne absorbere lys fra alle retninger, hvilket ville være en forbedring i forhold til nutidens brede, flade paneler, der kun kan absorbere lys fra én overflade.

Studiet, ledet af Richard Kaner, fremtrædende professor i kemi og biokemi og materialevidenskab og teknik, blev for nylig offentliggjort online af tidsskriftet ACS Nano .

UCLA-teamet dyrkede tetraanilin-krystallerne lodret fra et substrat, så krystallerne rejste sig som pigge i stedet for at ligge fladt, som de gør, når de produceres ved hjælp af nuværende teknikker. De producerede krystallerne i en opløsning ved hjælp af et substrat lavet af grafen, et nanomateriale bestående af grafit, der er ekstremt tyndt - måler tykkelsen af ​​et enkelt atom. Forskere havde tidligere dyrket krystaller lodret i uorganiske halvledende materialer, inklusive silicium, men at gøre det i organiske materialer har været sværere.

Tetraanilin er et ønskværdigt materiale til halvledere på grund af dets særlige elektriske og kemiske egenskaber, som bestemmes af orienteringen af ​​meget små krystaller, den indeholder. Enheder som solceller og fotosensorer fungerer bedre, hvis krystallerne vokser lodret, fordi vertikale krystaller kan pakkes tættere i halvlederen, gør den mere kraftfuld og mere effektiv til at kontrollere elektrisk strøm.

"Disse krystaller er analoge med at organisere et bord dækket med spredte blyanter i en blyantskop, " sagde Yue "Jessica" Wang, en tidligere UCLA ph.d.-studerende, som nu er postdoc ved Stanford University og var undersøgelsens første forfatter. "Den lodrette orientering kan spare meget plads, og det kan betyde mindre, mere effektiv personlig elektronik i den nærmeste fremtid."

Da Kaner og hans kolleger fandt ud af, at de kunne guide tetraanilinopløsningen til at dyrke vertikale krystaller, de udviklede en et-trins metode til at dyrke meget velordnet, vertikalt justerede krystaller til en række organiske halvledere ved hjælp af det samme grafensubstrat.

"Nøglen var at dechifrere interaktionerne mellem organiske halvledere og grafen i forskellige opløsningsmiddelmiljøer, " sagde Wang. "Da vi først forstod denne komplekse mekanisme, Det blev nemt at dyrke vertikale organiske krystaller."

Kaner sagde, at forskerne også opdagede en anden fordel ved grafensubstratet.

"Denne teknik gør os i stand til at mønstre krystaller, hvor vi vil, " sagde han. "Du kunne lave elektroniske enheder af disse halvlederkrystaller og dyrke dem præcist i indviklede mønstre, der kræves til den enhed, du ønsker, såsom tyndfilmstransistorer eller lysemitterende dioder."