Het oplossen van het dopingprobleem: Natuurkundigen hebben nieuwe manieren ontdekt om organische halfgeleiders te verbeteren

Apparatuur gebruikt om de eigenschappen van de halfgeleiders te meten. Credit: Dr Martin Statzs, Sirringhaus Laboratorium

Wetenschappers hebben organische halfgeleiders verbeterd door baanbrekende elektronenverwijdering te bereiken en te profiteren van eigenschappen in een niet-evenwichtstoestand, wat mogelijk de efficiëntie van thermoelektrische apparaten kan verhogen.

Fysici van Cavendish hebben twee nieuwe manieren ontdekt om organische halfgeleiders te verbeteren. Ze hebben een manier gevonden om meer elektronen uit het materiaal te verwijderen dan voorheen mogelijk was en onverwachte eigenschappen gebruikt in een omgeving die bekend staat als de niet-evenwichtstoestand, waardoor de prestaties ervan voor gebruik in elektronische apparaten worden verbeterd.

"We wilden echt de spijker op de kop slaan en erachter komen wat er gebeurt als je polymeren halfgeleiders zwaar doteert," zei Dr Dionisius Tjhe, postdoctoraal onderzoeksmedewerker op het Cavendish Laboratorium. Doping is het proces waarbij elektronen uit een halfgeleider worden verwijderd of toegevoegd, waardoor het vermogen om elektrische stroom te dragen wordt vergroot.

In een recent artikel gepubliceerd in Nature Materials, beschrijven Tjhe en zijn collega's hoe deze nieuwe inzichten nuttig zouden kunnen zijn om de prestaties van gedoteerde halfgeleiders te verbeteren.

Elektronen in vaste stoffen zijn georganiseerd in energiebanden. De energieband met de hoogste energie, ook wel de valentieband genoemd, beheerst veel van de belangrijke fysieke eigenschappen zoals elektrische geleidbaarheid en chemische binding. Doping in organische halfgeleiders wordt bereikt door een klein deel van de elektronen uit de valentieband te verwijderen. Gaten, het gebrek aan elektronen, kunnen dan stromen en elektriciteit geleiden.

Legen van de valentie- en de dieper-gelegen valentiebanden door doping. Credit: Sirringhaus Laboratorium

"Traditioneel wordt slechts tien tot twintig procent van de elektronen uit de valentieband van een organische halfgeleider verwijderd, wat al veel hoger is dan de niveaus van delen per miljoen die typisch zijn bij silicium halfgeleiders," zei Tjhe. "In twee van de polymeren die we hebben bestudeerd, konden we de valentieband volledig legen. Nog verrassender is dat we in een van deze materialen nog verder kunnen gaan en elektronen uit de band daaronder kunnen verwijderen. Dit zou de eerste keer kunnen zijn dat dit is bereikt!"

Interessant genoeg is de geleidbaarheid aanzienlijk groter in de dieper gelegen valentieband, vergeleken met de bovenste. "De hoop is dat het ladingstransport op diep gelegen energieniveaus uiteindelijk zal leiden tot thermoelektrische apparaten met een hoger vermogen. Deze zetten warmte om in elektriciteit," zei Dr Xinglong Ren, postdoctoraal onderzoeksmedewerker op het Cavendish Laboratorium en mede-eerste auteur van de studie. "Door materialen te vinden met een hogere energie-uitvoer, kunnen we meer van onze verspilde warmte omzetten in elektriciteit en het een meer levensvatbare energiebron maken."

Hoewel de onderzoekers geloven dat het legen van de valentieband mogelijk zou moeten zijn in andere materialen, is dit effect misschien het gemakkelijkst te zien in polymeren. "We denken dat de manier waarop de energiebanden zijn gerangschikt in onze polymeer, evenals de ongeordende aard van de polymeerketens, ons in staat stelt dit te doen," aldus Tjhe. "Daarentegen zijn andere halfgeleiders, zoals silicium, waarschijnlijk minder geneigd om deze effecten te hebben, omdat het moeilijker is om de valentieband in deze materialen te legen. Begrijpen hoe dit resultaat in andere materialen kan worden gereproduceerd is de cruciale volgende stap. Het is een opwindende tijd voor ons."

Door doping neemt het aantal gaten toe, maar het verhoogt ook het aantal ionen, wat het vermogen beperkt. Gelukkig kunnen onderzoekers de hoeveelheid gaten controleren, zonder het aantal ionen te beïnvloeden, door gebruik te maken van een elektrode die bekend staat als een veld-effect poort.

"Met behulp van de veld-effect poort hebben we ontdekt dat we de gatendichtheid kunnen aanpassen, en dit leidde tot zeer verschillende resultaten," legde Dr Ian Jacobs, Royal Society University Research Fellow aan het Cavendish Laboratorium, uit. "Geleidbaarheid is normaal gesproken evenredig met het aantal gaten, neemt toe wanneer het aantal gaten wordt verhoogd, en neemt af wanneer ze worden verwijderd. Dit wordt waargenomen wanneer we het aantal gaten veranderen door ionen toe te voegen of te verwijderen. Echter, bij gebruik van de veld-effect poort zien we een ander effect. Het toevoegen of verwijderen van gaten veroorzaakt altijd een toename van de geleidbaarheid!"

De onderzoekers konden deze onverwachte effecten traceren naar een 'Coulomb-gap', een bekende, zij het zelden waargenomen eigenschap in ongeordende halfgeleiders. Interessant is dat dit effect verdwijnt bij kamertemperatuur en de verwachte trend wordt hersteld.

"Coulomb-gaten zijn berucht moeilijk te observeren in elektrische metingen, omdat ze alleen zichtbaar worden wanneer het materiaal niet in staat is om zijn meest stabiele configuratie te vinden," voegde Jacobs toe. "Aan de andere kant waren wij in staat om deze effecten te zien bij veel hogere temperaturen dan verwacht, slechts ongeveer -30°C."

“Het blijkt dat in ons materiaal de ionen bevriezen; dit kan gebeuren bij relatief hoge temperaturen,” aldus Ren. “Als we elektronen toevoegen of verwijderen wanneer de ionen bevroren zijn, is het materiaal in een niet-evenwichtstoestand. De ionen zouden de voorkeur geven aan een herstructurering en stabilisatie van het systeem, maar ze kunnen dat niet omdat ze bevroren zijn. Dit stelt ons in staat om de Coulomb-gap te zien."

Normaal gesproken is er een compromis tussen het vermogen van thermoelektrische output en de geleidbaarheid, de ene neemt toe terwijl de andere afneemt. Echter, vanwege de Coulomb-gap en de niet-evenwichtseffecten, kunnen beide tegelijkertijd worden verhoogd, wat betekent dat de prestaties kunnen worden verbeterd. De enige beperking is dat het veld-effectdeurtje momenteel alleen het oppervlak van het materiaal beïnvloedt. Als het bulk van het materiaal kan worden beïnvloed, zou dit het vermogen en de geleidbaarheid nog verder vergroten.

Hoewel de groep nog een weg te gaan heeft, schetst het onderzoeksartikel een duidelijke methode om de prestaties van organische halfgeleiders te verbeteren. Met spannende vooruitzichten op het gebied van energie, heeft de groep de deur open gelaten voor verder onderzoek naar deze eigenschappen. “Het vervoer in deze niet-evenwichtstoestanden is opnieuw een veelbelovende route gebleken voor betere organische thermoelektrische apparaten,” aldus Tjhe.