Lösen des Doping-Problems: Physiker haben neue Wege zur Verbesserung von organischen Halbleitern entdeckt

Apparate, die zur Messung der Eigenschaften von Halbleitern verwendet werden. Kredit: Dr. Martin Stanz, Sirringhaus Lab

Wissenschaftler haben organische Halbleiter verbessert, indem sie bahnbrechende Elektronenentfernung erreicht und nicht-Gleichgewichts-Eigenschaften genutzt haben, was potenziell die Effizienz von thermoelektrischen Geräten steigern könnte.

Physiker des Cavendish haben zwei neue Möglichkeiten entdeckt, um organische Halbleiter zu verbessern. Sie fanden einen Weg, mehr Elektronen aus dem Material zu entfernen als zuvor möglich und nutzten unerwartete Eigenschaften in einer Umgebung, die als Nichtgleichgewichtszustand bekannt ist, um seine Leistung für den Einsatz in elektronischen Geräten zu steigern.

„Wir wollten wirklich den Nagel auf den Kopf treffen und herausfinden, was passiert, wenn Sie Polymer-Halbleiter stark dotieren“, sagte Dr. Dionisius Tjhe, Postdoctoral Research Associate am Cavendish Laboratory. Dotierung ist der Prozess, bei dem Elektronen aus einem Halbleiter entfernt oder hinzugefügt werden, um seine Fähigkeit zur elektrischen Leitung zu erhöhen.

In einem kürzlich in Nature Materials veröffentlichten Papier erläutern Tjhe und seine Kollegen, wie diese neuen Erkenntnisse dazu beitragen könnten, die Leistung von dotierten Halbleitern zu verbessern.

Elektronen in Festkörpern sind in Energiebändern organisiert. Das höchste Energieband, das als Valenzband bezeichnet wird, steuert viele wichtige physikalische Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit und die chemische Bindung. Die Dotierung in organischen Halbleitern wird erreicht, indem ein kleiner Teil der Elektronen aus dem Valenzband entfernt wird. Löcher, das Fehlen von Elektronen, können dann fließen und Elektrizität leiten.

Entleerung von Valenzbändern und tieferen Valenzbändern durch Dotierung. Kredit: Sirringhaus Lab

„Traditionell werden nur zehn bis zwanzig Prozent der Elektronen im Valenzband eines organischen Halbleiters entfernt, was bereits wesentlich höher ist als die im Teile pro Million-Bereich liegenden Niveaus, die typisch für Silizium-Halbleiter sind“, sagte Tjhe. „In zwei der Polymere, die wir untersucht haben, konnten wir das Valenzband vollständig entleeren. Noch überraschender ist, dass wir in einem dieser Materialien sogar noch weiter gehen und Elektronen aus dem Band darunter entfernen können. Das könnte das erste Mal sein, dass dies erreicht wurde!“

Interessanterweise ist die Leitfähigkeit im tieferen Valenzband deutlich größer im Vergleich zum oberen. „Die Hoffnung ist, dass der Ladungstransport in tiefen Energielevels letztendlich zu leistungsfähigeren thermoelektrischen Geräten führen könnte. Diese wandeln Wärme in Elektrizität um“, sagte Dr. Xinglong Ren, Postdoctoral Research Associate am Cavendish Laboratory und Mit-Erstautor der Studie. „Durch die Suche nach Materialien mit einer höheren Leistung können wir mehr unserer Abwärme in Elektrizität umwandeln und sie zu einer rentableren Energiequelle machen.“

Obwohl die Forscher glauben, dass die Leerung des Valenzbands möglicherweise auch in anderen Materialien möglich ist, ist dieser Effekt vielleicht am einfachsten bei Polymeren zu sehen. „Wir denken, dass die Anordnung der Energiebänder in unserem Polymer sowie die ungeordnete Natur der Polymerketten es uns ermöglichen, dies zu tun“, sagte Tjhe. „Im Gegensatz dazu ist es wahrscheinlich weniger wahrscheinlich, dass andere Halbleiter wie Silizium diese Effekte zeigen, da es schwieriger ist, das Valenzband in diesen Materialien zu leeren. Das Verständnis, wie man dieses Ergebnis in anderen Materialien reproduzieren kann, ist der entscheidende nächste Schritt. Es ist eine aufregende Zeit für uns.“

Die Dotierung führt zu einer Zunahme der Anzahl von Löchern, erhöht jedoch auch die Anzahl von Ionen, was die Leistung begrenzt. Glücklicherweise können die Forscher die Anzahl der Löcher steuern, ohne die Anzahl der Ionen zu beeinflussen, indem sie eine Elektrode verwenden, die als Feldeffekt-Gate bekannt ist.

„Unter Verwendung des Feldeffekt-Gates stellten wir fest, dass wir die Lochdichte anpassen konnten, was zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führte“, erklärte Dr. Ian Jacobs, Royal Society University Research Fellow am Cavendish Laboratory. „Die Leitfähigkeit ist normalerweise proportional zur Anzahl der Löcher, die zunimmt, wenn die Anzahl der Löcher erhöht wird, und abnimmt, wenn sie entfernt werden. Dies wird beobachtet, wenn wir die Anzahl der Löcher durch Zugabe oder Entfernen von Ionen ändern. Wenn wir jedoch das Feldeffekt-Gate verwenden, sehen wir einen anderen Effekt. Das Hinzufügen oder Entfernen von Löchern führt immer zu einer Leitfähigkeitszunahme!“

Die Forscher konnten diese unerwarteten Effekte auf eine „Coulombsche Lücke“ zurückführen, ein bekanntes, wenn auch selten beobachtetes Merkmal in ungeordneten Halbleitern. Interessanterweise verschwindet dieser Effekt bei Raumtemperatur und der erwartete Trend setzt sich wieder durch.

„Coulomb-Lücken sind berüchtigt schwer in elektrischen Messungen zu beobachten, da sie nur sichtbar werden, wenn das Material seine stabilste Konfiguration nicht finden kann“, fügte Jacobs hinzu. „Andererseits konnten wir diese Effekte bei viel höheren Temperaturen sehen als erwartet, nur etwa -30°C.“

„Es stellt sich heraus, dass in unserem Material die Ionen einfrieren; das kann bei relativ hohen Temperaturen passieren“, sagte Ren. „Wenn wir Elektronen hinzufügen oder entfernen, wenn die Ionen eingefroren sind, befindet sich das Material in einem Nicht-Gleichgewichtszustand. Die Ionen würden bevorzugen, sich neu zu ordnen und das System zu stabilisieren, aber sie können es nicht, weil sie eingefroren sind. Dies ermöglicht es uns, die Coulomb-Lücke zu sehen.“

Normalerweise gibt es einen Kompromiss zwischen der thermoelektrischen Leistung und der Leitfähigkeit, denn wenn die eine steigt, sinkt die andere. Aufgrund der Coulomb-Lücke und der Nicht-Gleichgewichtseffekte können jedoch beide gleichzeitig gesteigert werden, was bedeutet, dass die Leistung verbessert werden kann. Die einzige Einschränkung ist, dass das Feldeffekt-Gate derzeit nur die Oberfläche des Materials beeinflusst. Wenn der Kern des Materials beeinflusst werden könnte, würde dies die Leistung und die Leitfähigkeit auf noch größere Maßstäbe erhöhen.

Obwohl die Gruppe noch einiges zu tun hat, skizziert das Forschungspapier eine klare Methode zur Verbesserung der Leistung organischer Halbleiter. Mit vielversprechenden Perspektiven im Energiesektor hat die Gruppe die Tür für weitere Untersuchungen dieser Eigenschaften offengelassen. „Der Transport in diesen Nicht-Gleichgewichtszuständen hat sich einmal mehr als vielversprechender Weg für bessere organische thermoelektrische Geräte erwiesen“, sagte Tjhe.