Rozwiązanie problemu dopingu: Fizycy odkryli nowe sposoby poprawy organicznych półprzewodników

Aparatura używana do pomiaru właściwości półprzewodników. Kredyt: Dr. Martin Statzs, Sirringhaus Lab

Naukowcy udoskonalili organiczne półprzewodniki, osiągając przełomowe usuwanie elektronów i wykorzystując właściwości stanu nieustalonego, co potencjalnie zwiększa efektywność urządzeń termoelektrycznych.

Fizycy z Cavendish odkryli dwie nowe metody poprawy organicznych półprzewodników. Znaleźli sposób na usunięcie większej liczby elektronów z materiału niż wcześniej możliwe i wykorzystali niespodziewane właściwości w środowisku znanym jako stan nieustalony, zwiększając jego wydajność do użycia w urządzeniach elektronicznych.

„Naprawdę chcieliśmy trafić w sedno i zrozumieć, co się dzieje podczas mocnego uwodnienia polimerowych półprzewodników,” powiedział Dr. Dionisius Tjhe, Asystent Badawczy poponardoktorancki w Laboratorium Cavendish. Uwodnianie to proces usuwania lub dodawania elektronów do półprzewodnika, zwiększający jego zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego.

W niedawno opublikowanym artykule w Nature Materials Tjhe i jego koledzy opisują, jak te nowe spojrzenia mogą pomóc w poprawieniu wydajności uwodnionych półprzewodników.

Elektrony w ciałach stałych są ułożone w pasma energetyczne. Najwyższe pasmo energetyczne, zwane pasmem walencyjnym, kontroluje wiele ważnych właściwości fizycznych, takich jak przewodność elektryczna i wiązania chemiczne. Uwodnienie w organicznych półprzewodnikach osiąga się poprzez usunięcie małej części elektronów z pasma walencyjnego. Dziury, brak elektronów, mogą wtedy przepływać i przewodzić elektryczność.

Usprawnianie pasm walencyjnych i głębokowiełencyjnych poprzez uwodnienie. Kredyt: Sirringhaus Lab

„Tradycyjnie usuwano tylko dziesięć do dwudziestu procent elektronów z pasma walencyjnego organicznego półprzewodnika, co jest już znacznie wyższe niż częstość na poziomie części na milion typowa dla półprzewodników krzemowych,” powiedział Tjhe. „W dwóch z polimerów, które badaliśmy, udało nam się całkowicie usunąć pasmo walencyjne. Co więcej, w jednym z tych materiałów, możemy pójść jeszcze dalej i usunąć elektrony z pasma poniżej. Może to być po raz pierwszy osiągnięte!”

Co ciekawe przewodność jest znacznie większa w głębszym pasmie walencyjnym, w porównaniu do górnego. „Nadzieją jest, że przewodnictwo ładunków w głębokich poziomach energetycznych może ostatecznie doprowadzić do wyższej mocy urządzeń termoelektrycznych. Te przekształcają ciepło w elektryczność,” powiedział Dr. Xinglong Ren, Asystent Badawczy poponardoktorancki w Laboratorium Cavendish i współpierwszy autor studium. „Poprzez znalezienie materiałów o większej mocy wyjściowej, możemy przekształcić więcej naszego ciepła straty w elektryczność i uczynić ją bardziej opłacalnym źródłem energii.”

Choć badacze wierzą, że opróżnienie pasma walencyjnego powinno być możliwe w innych materiałach, ten efekt jest być może najłatwiej zauważalny w polimerach. „Myślimy, że sposób, w jaki pasma energetyczne są ułożone w naszym polimerze, jak również nieuporządkowane łańcuchy polimerowe pozwalają nam na to,” powiedział Tjhe. „W przeciwieństwie do tego inne półprzewodniki, takie jak krzem, prawdopodobnie są mniej skłonne do hostowania tych efektów, ponieważ jest trudniej opróżnić pasmo walencyjne w tych materiałach. Zrozumienie, jak odtworzyć ten efekt w innych materiałach, to kluczowy następny krok. To dla nas ekscytujący czas.”

Uwodnienie prowadzi do zwiększenia liczby dziur, ale również zwiększa liczbę jonów, co ogranicza moc. Na szczęście badacze mogą kontrolować liczbę dziur, nie wpływając na liczbę jonów, poprzez użycie elektrody znanej jako brama polowoprzypływowa.

„Korzystając z bramy polowoprzypływowej, stwierdziliśmy, że możemy dostosować gęstość dziur, co doprowadziło do bardzo różnych wyników,” wyjaśnił Dr. Ian Jacobs, Uniwersytecki Badacz Stypendialny Royal Society w Laboratorium Cavendish. „Przewodność jest zazwyczaj proporcjonalna do liczby dziur, zwiększając się, gdy liczba dziur jest zwiększana, oraz zmniejszając się, gdy są one usuwane. To obserwowane, gdy zmieniamy liczbę dziur przez dodawanie lub usuwanie jonów. Jednak korzystając z bramy polowoprzypływowej, widzimy inny efekt. Dodanie lub usunięcie dziur zawsze powoduje wzrost przewodności!”

Badacze byli w stanie prześledzić te niespodziewane efekty do „przerwy kulombowej”, znanego, choć rzadko obserwowanego elementu w nieuporządkowanych półprzewodnikach. Co ciekawe, ten efekt zanika w temperaturze pokojowej, i odzyskane jest oczekiwane tendencje.

„Przerwy kulombowe są znane z trudności obserwacji w pomiarach elektrycznych, ponieważ stają się widoczne tylko wtedy, kiedy materiał nie jest w stanie znaleźć swojej najbardziej stabilnej konfiguracji,” dodał Jacobs. „Z drugiej strony, byliśmy w stanie zauważyć te efekty w temperaturach znacznie wyższych niż oczekiwano, tylko około -30°C.”