Een ontdekking door een internationaal team van onderzoekers van Princeton University, het Georgia Institute of Technology en de Humboldt University in Berlijn wijzen de weg naar meer wijdverbreid gebruik van een geavanceerde technologie die algemeen bekend staat als organische elektronica.

Het onderzoek, gepubliceerd op 13 november in het tijdschrift Natuurmaterialen , richt zich op organische halfgeleiders, een klasse van materialen die worden gewaardeerd om hun toepassingen in opkomende technologieën zoals flexibele elektronica, zonne-energie conversie, en hoogwaardige kleurendisplays voor smartphones en televisies. Op korte termijn, de vooruitgang zou met name moeten helpen bij organische lichtemitterende diodes die met hoge energie werken om kleuren zoals groen en blauw uit te stralen.

"Organische halfgeleiders zijn ideale materialen voor de fabricage van mechanisch flexibele apparaten met energiebesparende processen bij lage temperaturen, " zei Xin Lin, een promovendus en lid van het onderzoeksteam van Princeton. "Een van hun grootste nadelen was hun relatief slechte elektrische geleidbaarheid, wat leidt tot inefficiënte apparaten met een kortere levensduur dan vereist voor commerciële toepassingen. We werken aan het verbeteren van de elektrische eigenschappen van organische halfgeleiders om ze beschikbaar te maken voor meer toepassingen."

Halfgeleiders, meestal gemaakt van silicium, vormen de basis van moderne elektronica omdat ingenieurs hun unieke eigenschappen kunnen benutten om elektrische stromen te regelen. Onder de vele toepassingen, halfgeleiderapparaten worden gebruikt voor computers, signaalversterking en schakelen. Ze worden gebruikt in energiebesparende apparaten zoals light-emitting diodes en apparaten die energie omzetten zoals zonnecellen.

Essentieel voor deze functionaliteiten is een proces genaamd doping, waarin de chemische samenstelling van de halfgeleider wordt gewijzigd door een kleine hoeveelheid chemicaliën of onzuiverheden toe te voegen. Door zorgvuldig het type en de hoeveelheid doteermiddel te kiezen, onderzoekers kunnen de elektronische structuur en het elektrische gedrag van halfgeleiders op verschillende manieren veranderen.

In hun recente Nature Materials-artikel, beschrijven de onderzoekers een nieuwe aanpak om de geleidbaarheid van organische halfgeleiders sterk te verhogen, die zijn gevormd uit op koolstof gebaseerde moleculen in plaats van siliciumatomen. de dotering, een rutheniumhoudende verbinding, is een reductiemiddel, wat betekent dat het elektronen toevoegt aan de organische halfgeleider als onderdeel van het dopingproces. De toevoeging van de elektronen is de sleutel tot het verhogen van de geleidbaarheid van de halfgeleider. De verbinding behoort tot een nieuw geïntroduceerde klasse van doteermiddelen die dimere organometallische doteermiddelen worden genoemd. In tegenstelling tot veel andere krachtige reductiemiddelen, deze doteermiddelen zijn stabiel bij blootstelling aan lucht, maar werken nog steeds als sterke elektronendonoren, zowel in oplossing als in vaste toestand.

Seth Marder en Steve Barlow van Georgia Tech, die de ontwikkeling van de nieuwe dotering leidde, noemde de rutheniumverbinding een "hyperreducerend doteermiddel". Ze zeiden dat het ongebruikelijk is, niet alleen de combinatie van elektronendonatiesterkte en luchtstabiliteit, maar in zijn vermogen om te werken met een klasse organische halfgeleiders die voorheen heel moeilijk te dopen waren. In onderzoeken uitgevoerd in Princeton, de onderzoekers ontdekten dat de nieuwe dotering de geleidbaarheid van deze halfgeleiders ongeveer een miljoen keer verhoogde.

De rutheniumverbinding is een dimeer, wat betekent dat het uit twee identieke moleculen bestaat, of monomeren, verbonden door een chemische binding. zoals het is, de verbinding is relatief stabiel en, wanneer toegevoegd aan deze moeilijk te dopen halfgeleiders, het reageert niet en blijft in zijn evenwichtstoestand. Dat vormde een probleem omdat om de geleidbaarheid van de organische halfgeleider te vergroten, het rutheniumdimeer moet splitsen en zijn twee identieke monomeren vrijgeven.

Lin, de Princeton-promovendus die hoofdauteur was van het Nature Materials-artikel, zei dat de onderzoekers verschillende manieren zochten om het rutheniumdimeer te breken en de doping te activeren. Eventueel, hij en Berthold Wegner, een bezoekende afgestudeerde student van de groep van Norbert Koch aan de Humboldt University, geraakt bij het toevoegen van energie door te bestralen met ultraviolet licht, die moleculen in de halfgeleider effectief aansloeg en de reactie op gang bracht. Onder blootstelling aan het licht, de dimeren worden gesplitst in monomeren, en de geleidbaarheid steeg.

Daarna, de onderzoekers maakten een interessante observatie.

"Als het licht eenmaal uit is, men zou naïef verwachten dat de omgekeerde reactie zou optreden" en dat de verhoogde geleidbaarheid zou verdwijnen, Marder zei in een e-mail. "Echter, dit is niet het geval."

De onderzoekers ontdekten dat de rutheniummonomeren geïsoleerd bleven in de halfgeleider - de geleidbaarheid verhogen - hoewel de thermodynamica de moleculen zou moeten terugbrengen naar hun oorspronkelijke configuratie als dimeren. Antoine Kahn, een Princeton-professor die het onderzoeksteam leidt, zei dat de fysieke lay-out van de moleculen in de gedoteerde halfgeleider een waarschijnlijk antwoord op deze puzzel biedt. De hypothese is dat de monomeren op zo'n manier in de halfgeleider zijn verspreid dat het erg moeilijk voor ze is om terug te keren naar hun oorspronkelijke configuratie en het rutheniumdimeer opnieuw te vormen. Hervormen, hij zei, de monomeren moeten in de juiste richting zijn gericht, maar in het mengsel blijven ze scheef staan. Dus, ook al laat de thermodynamica zien dat dimeren zouden moeten hervormen, de meeste komen nooit meer in elkaar.

"De vraag is waarom deze dingen niet weer samen in evenwicht komen, " zei Kahn, de Stephen C. Macaleer '63 Professor in Engineering en Toegepaste Wetenschappen. "Het antwoord is dat ze kinetisch gevangen zitten."

In feite, de onderzoekers observeerden de gedoteerde halfgeleider meer dan een jaar en vonden zeer weinig afname in de elektrische geleidbaarheid. Ook, door het materiaal te observeren in lichtemitterende diodes vervaardigd door de groep van Barry Rand, een assistent-professor elektrotechniek aan Princeton en het Andlinger Center for Energy and the Environment, de onderzoekers ontdekten dat doping continu opnieuw werd geactiveerd door het licht dat door het apparaatje werd geproduceerd.

Het licht activeert het systeem meer, wat leidt tot meer lichtproductie en meer activering totdat het systeem volledig is geactiveerd, zei Marder. "Dit alleen al is een nieuwe en verrassende observatie."