Risolvere il Problema del Doping: Fisici Hanno Scoperto Nuovi Modi per Migliorare i Semiconduttori Organici

Apparecchiatura utilizzata per misurare le proprietà dei semiconduttori. Credit: Dr Martin Statzs, Sirringhaus Lab

Gli scienziati hanno potenziato i semiconduttori organici raggiungendo una rimozione di elettroni innovativa e sfruttando le proprietà dello stato non equilibrio, potenzialmente aumentando l'efficienza dei dispositivi termoelettrici.

I fisici di Cavendish hanno scoperto due nuovi modi per migliorare i semiconduttori organici. Hanno trovato un modo per rimuovere più elettroni dal materiale di quanto fosse precedentemente possibile e hanno utilizzato proprietà inaspettate in un ambiente noto come stato non equilibrio, aumentando le prestazioni per l'uso in dispositivi elettronici.

“Volevamo davvero colpire nel segno e capire cosa succede quando si drogano pesantemente i semiconduttori a base di polimeri,” ha dichiarato il Dr Dionisius Tjhe, Ricercatore postdottorato presso il Laboratorio di Cavendish. Drogare è il processo di rimozione o aggiunta di elettroni in un semiconduttore, aumentando la sua capacità di trasportare corrente elettrica.

In un recente articolo pubblicato su Nature Materials, Tjhe e i suoi colleghi dettagliano come queste nuove intuizioni potrebbero essere utili per migliorare le prestazioni dei semiconduttori drogati.

Gli elettroni nei solidi sono organizzati in bande energetiche. La banda ad energia più elevata, chiamata banda di valenza, controlla molte delle importanti proprietà fisiche come la conducibilità elettrica e il legame chimico. Droga nei semiconduttori organici è ottenuta rimuovendo una piccola frazione di elettroni dalla banda di valenza. I buchi, l'assenza di elettroni, possono quindi fluire e condurre elettricità.

Vuotamento delle bande di valenza e di bande più profonde di valenza attraverso la droga. Credit: Sirringhaus Lab

“Tradizionalmente, solo dieci o venti percento degli elettroni nella banda di valenza di un semiconduttore organico vengono rimossi, il che è già molto più alto rispetto ai livelli di parti per milione tipici nei semiconduttori al silicio,” ha dichiarato Tjhe. “In due dei polimeri che abbiamo studiato, siamo stati in grado di svuotare completamente la banda di valenza. Più sorprendentemente, in uno di questi materiali, possiamo addirittura andare oltre e rimuovere gli elettroni dalla banda sottostante. Questo potrebbe essere la prima volta che viene raggiunto!”

È interessante notare che la conducibilità è significativamente maggiore nella banda di valenza più profonda, rispetto a quella superiore. “La speranza è che il trasporto di carica nei livelli energetici più profondi potrebbe alla fine portare a dispositivi termoelettrici più potenti. Questi convertirebbero il calore in elettricità,” ha dichiarato il Dr Xinglong Ren, Ricercatore postdottorato presso il Laboratorio di Cavendish e co-primo autore dello studio. “Trovando materiali con un maggiore output di energia, possiamo convertire più del nostro calore disperso in elettricità e renderlo una fonte di energia più valida.”

Anche se i ricercatori ritengono che lo svuotamento della banda di valenza dovrebbe essere possibile in altri materiali, questo effetto è forse più facilmente visibile nei polimeri. “Pensiamo che il modo in cui le bande energetiche sono disposte nel nostro polimero, così come la natura disordinata delle catene polimeriche, ci permetta di farlo,” ha detto Tjhe. “Al contrario, altri semiconduttori, come il silicio, sono probabilmente meno propensi ad ospitare questi effetti, poiché è più difficile svuotare la banda di valenza in questi materiali. Comprendere come riprodurre questo risultato in altri materiali è il prossimo passo cruciale. È un momento emozionante per noi.”

La droga porta ad un aumento del numero di buchi, ma aumenta anche il numero di ioni, limitando la potenza. Fortunatamente, i ricercatori possono controllare il numero di buchi, senza influenzare il numero di ioni, utilizzando un elettrodo noto come cancello ad effetto di campo.

“Utilizzando il cancello ad effetto di campo, abbiamo scoperto di poter regolare la densità dei buchi, e questo ha portato a risultati molto diversi,” ha spiegato il Dr Ian Jacobs, Ricercatore Universitario della Royal Society presso il Laboratorio di Cavendish. “La conducibilità è normalmente proporzionale al numero di buchi, aumentando quando il numero di buchi aumenta e diminuendo quando vengono rimossi. Questo si osserva quando cambiamo il numero di buchi aggiungendo o rimuovendo ioni. Tuttavia, utilizzando il cancello ad effetto di campo, vediamo un effetto diverso. Aggiungere o rimuovere buchi provoca sempre un aumento di conducibilità!”

I ricercatori sono stati in grado di risalire a questi effetti inaspettati a una ‘lacuna coulombiana’, una caratteristica ben nota, anche se raramente osservata, nei semiconduttori disordinati. È interessante notare che questo effetto scompare a temperatura ambiente e la tendenza attesa viene ripristinata.

“Le lacune coulombiane sono notoriamente difficili da osservare nelle misurazioni elettriche, perché diventano visibili solo quando il materiale non è in grado di trovare la sua configurazione più stabile,” ha aggiunto Jacobs. “D'altro canto, siamo stati in grado di vedere questi effetti a temperature molto più alte di quanto previsto, circa -30°C.”