Att lösa dopningsproblemet: Fysiker har upptäckt nya sätt att förbättra organiska halvledare

Apparater används för att mäta egenskaperna hos halvledare. Kredit: Dr Martin Statzs, Sirringhaus Lab

Forskare har förbättrat organiska halvledare genom att uppnå banbrytande elektronborttagning och utnyttja egenskaper i icke-jämviktsläge, vilket potentiellt ökar effektiviteten för termoelektriska enheter.

Fysiker vid Cavendish har upptäckt två nya sätt att förbättra organiska halvledare. De hittade ett sätt att ta bort fler elektroner från materialet än tidigare möjligt och använde oväntade egenskaper i en miljö som kallas icke-jämviktsläge, vilket ökar dess prestanda för användning i elektroniska enheter.

"Vi ville verkligen träffa spiken på huvudet och ta reda på vad som händer när du kraftigt dopar polymerhalvledare," sa Dr Dionisius Tjhe, Postdoktorand vid Cavendish Laboratory. Dopning är processen att ta bort eller lägga till elektroner i en halvledare, vilket ökar dess förmåga att leda elektrisk ström.

I en nyligen publicerad artikel i Nature Materials, beskriver Tjhe och hans kollegor hur dessa nya insikter kan vara till hjälp för att förbättra prestandan hos dopade halvledare.

Elektroner i fasta ämnen är organiserade i energiband. Det högsta energibandet, kallat valensbandet, kontrollerar många av de viktiga fysikaliska egenskaperna såsom elektrisk ledningsförmåga och kemisk bindning. Dopning i organiska halvledare uppnås genom att ta bort en liten del av elektronerna från valensbandet. Hål, frånvaron av elektroner, kan sedan flöda och leda elektricitet.

Tömning av valensbandet och djupare valensband genom dopning. Kredit: Sirringhaus Lab

"Traditionellt tas endast tio till tjugo procent av elektronerna i en organisk halvledares valensband bort, vilket redan är mycket högre än de delar per miljonnivåer som är typiska för kiselhalvledare," sa Tjhe. "I två av polymererna som vi studerade kunde vi helt tömma valensbandet. Ännu mer överraskande, i ett av dessa material kan vi gå ännu längre och ta bort elektroner från bandet nedanför. Detta kan vara första gången det har uppnåtts!"

Intressant är ledningsförmågan betydligt större i det djupare valensbandet jämfört med det översta. "Hoppet är att laddningstransport i djupa energinivåer slutligen kan leda till högeffektiva termoelektriska enheter. Dessa omvandlar värme till elektricitet," sa Dr Xinglong Ren, Postdoktorand vid Cavendish Laboratory och medförfattare till studien. "Genom att hitta material med högre effektutmatning kan vi omvandla mer av vår avfallsvärme till elektricitet och göra det till en mer hållbar energikälla."

Även om forskarna tror att tömningen av valensbandet borde vara möjlig i andra material, är denna effekt kanske lättast att se i polymerer. "Vi tror att sättet energibanden är arrangerade i vår polymer, liksom den oordnade naturen hos polymerkedjorna, tillåter oss att göra detta," sa Tjhe. "I jämförelse är andra halvledare, såsom kisel, förmodligen mindre benägna att hysa dessa effekter, eftersom det är svårare att tömma valensbandet i dessa material. Att förstå hur man kan reproducera detta resultat i andra material är nästa kritiska steg. Det är en spännande tid för oss."

Dopning leder till en ökning av antalet hål, men det ökar också antalet joner, vilket begränsar effekten. Lyckligtvis kan forskare kontrollera antalet hål utan att påverka antalet joner genom att använda en elektrod som kallas fältgateeffekt.

"Genom att använda fältgateeffekten fann vi att vi kunde justera håltätheten och detta ledde till mycket olika resultat," förklarade Dr Ian Jacobs, Royal Society-universitetsforskare vid Cavendish Laboratory. "Ledningsförmågan är normalt proportionell mot antalet hål, och ökar när antalet hål ökas och minskar när de tas bort. Detta observeras när vi ändrar antalet hål genom att lägga till eller ta bort joner. Men när vi använder fältgateeffekten ser vi en annan effekt. Att lägga till eller ta bort hål orsakar alltid en ökning av ledningsförmågan!"

Forskarna kunde härleda dessa oväntade effekter till en 'Coulomb gap', en välkänd, men sällan observerad egenskap i oordnade halvledare. Intressant försvinner denna effekt vid rumstemperatur och den förväntade trenden återställs.

"Coulombgap är beryktade svåra att observera i elektriska mätningar, eftersom de endast blir synliga när materialet inte kan hitta sin mest stabila konfiguration," tillade Jacobs. "Å andra sidan kunde vi se dessa effekter vid mycket högre temperaturer än väntat, endast ungefär -30°C."