Resolviendo el Problema del Dopaje: Los físicos han descubierto nuevas formas de mejorar los semiconductores orgánicos.

Instrumento utilizado para medir las propiedades de los semiconductores. Crédito: Dr. Martin Statzs, Laboratorio Sirringhaus

Los científicos han mejorado los semiconductores orgánicos logrando una extracción de electrones innovadora y aprovechando las propiedades en estado no equilibrado, potencialmente aumentando la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos.

Los físicos de Cavendish han descubierto dos nuevas formas de mejorar los semiconductores orgánicos. Encontraron una forma de extraer más electrones del material de lo que era posible previamente y utilizaron propiedades inesperadas en un entorno conocido como estado no equilibrado, mejorando su rendimiento para ser utilizado en dispositivos electrónicos.

“Realmente queríamos llegar al fondo y descubrir qué está sucediendo cuando dopamos fuertemente los polímeros semiconductores”, dijo el Dr. Dionisius Tjhe, Investigador Postdoctoral Asociado en el Laboratorio Cavendish. El dopaje es el proceso de extraer o agregar electrones en un semiconductor, aumentando su capacidad para transportar corriente eléctrica.

En un artículo reciente publicado en Nature Materials, Tjhe y sus colegas detallan cómo estas nuevas ideas podrían ser útiles para mejorar el rendimiento de los semiconductores dopados.

Los electrones en los sólidos se organizan en bandas de energía. La banda de energía más alta, conocida como banda de valencia, controla muchas de las propiedades físicas importantes como la conductividad eléctrica y la unión química. El dopaje en los semiconductores orgánicos se logra extrayendo una pequeña fracción de electrones de la banda de valencia. Los huecos, la ausencia de electrones, pueden fluir y conducir electricidad.

Vaciado de bandas de valencia y valencia más profunda a través del dopaje. Crédito: Laboratorio Sirringhaus

“Tradicionalmente, solo se extrae entre el diez y veinte por ciento de los electrones de la banda de valencia de un semiconductor orgánico, lo cual es mucho más alto que los niveles de partes por millón típicos en los semiconductores de silicio”, dijo Tjhe. “En dos de los polímeros que estudiamos, pudimos vaciar completamente la banda de valencia. Más sorprendentemente, en uno de estos materiales, pudimos ir aún más lejos y extraer electrones de la banda inferior. ¡Podría ser la primera vez que se logra esto!”

Curiosamente, la conductividad es significativamente mayor en la banda de valencia más profunda, en comparación con la superior. “La esperanza es que el transporte de carga en niveles de energía profundos pueda llevar en última instancia a dispositivos termoeléctricos de mayor potencia. Estos convierten el calor en electricidad”, dijo el Dr. Xinglong Ren, Investigador Postdoctoral Asociado en el Laboratorio Cavendish y co-primer autor del estudio. “Al encontrar materiales con una mayor potencia de salida, podemos convertir más de nuestro calor residual en electricidad y hacerlo una fuente de energía más viable."

Aunque los investigadores creen que el vaciado de la banda de valencia debería ser posible en otros materiales, este efecto quizás sea más fácil de ver en los polímeros. “Creemos que la forma en que se disponen las bandas de energía en nuestro polímero, así como la naturaleza desordenada de las cadenas poliméricas, nos permite hacer esto”, dijo Tjhe. “En contraste, otros semiconductores, como el silicio, probablemente sean menos propensos a mostrar estos efectos, ya que es más difícil vaciar la banda de valencia en estos materiales. Comprender cómo reproducir este resultado en otros materiales es el siguiente paso crucial. Es un momento emocionante para nosotros."

El dopaje conduce a un aumento en el número de huecos, pero también aumenta el número de iones, lo que limita la potencia. Afortunadamente, los investigadores pueden controlar el número de huecos, sin afectar el número de iones, utilizando un electrodo conocido como compuerta de efecto de campo.

“Al utilizar la compuerta de efecto de campo, descubrimos que podíamos ajustar la densidad de huecos, y esto dio lugar a resultados muy diferentes”, explicó el Dr. Ian Jacobs, Investigador Universitario de la Royal Society en el Laboratorio Cavendish. “La conductividad normalmente es proporcional al número de huecos, aumentando cuando se aumenta el número de huecos, y disminuyendo cuando se eliminan. Esto se observa cuando cambiamos el número de huecos agregando o eliminando iones. Sin embargo, al utilizar la compuerta de efecto de campo, vemos un efecto diferente. ¡Agregar o eliminar huecos siempre provoca un aumento de la conductividad!”

Los investigadores pudieron rastrear estos efectos inesperados hasta una 'brecha de Coulomb', una característica bien conocida, aunque raramente observada, en semiconductores desordenados. Curiosamente, este efecto desaparece a temperatura ambiente y se recupera la tendencia esperada.

“Las brechas de Coulomb son notoriamente difíciles de observar en mediciones eléctricas, porque solo se hacen visibles cuando el material no puede encontrar su configuración más estable”, agregó Jacobs. “Por otro lado, pudimos ver estos efectos a temperaturas mucho más altas de lo anticipado, a solo cerca de -30°C.”

“Resulta que en nuestro material, los iones se congelen; esto puede ocurrir a temperaturas relativamente altas,” dijo Ren. “Si agregamos o eliminamos electrones cuando los iones estén congelados, el material estará en un estado de no equilibrio. Los iones preferirían reorganizarse y estabilizar el sistema, pero no pueden porque están congelados. Esto nos permite ver la brecha de Coulomb.”

Por lo general, hay un compromiso entre la potencia de salida termoeléctrica y la conductividad, uno aumenta mientras que el otro disminuye. Sin embargo, debido a la brecha de Coulomb y los efectos de no equilibrio, ambos pueden aumentarse juntos, lo que significa que el rendimiento puede mejorar. La única limitación es que la compuerta de efecto de campo actualmente solo afecta la superficie del material. Si se puede afectar el volumen del material, aumentaría la potencia y la conductividad a magnitudes aún mayores.

Aunque el grupo aún tiene camino por recorrer, el artículo de investigación describe un método claro para mejorar el rendimiento de los semiconductores orgánicos. Con perspectivas emocionantes en el campo de la energía, el grupo ha dejado la puerta abierta para una mayor investigación de estas propiedades. “El transporte en estos estados de no equilibrio una vez más ha demostrado ser una ruta prometedora para dispositivos termoeléctricos orgánicos mejores,” dijo Tjhe.