Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) rapporteren over een unipolaire n-type transistor met een baanbrekende elektronmobiliteitsprestatie tot 7,16 cm ² V ^-1 s ^-1 . Deze prestatie luidt een opwindende toekomst in voor organische elektronica, inclusief de ontwikkeling van innovatieve flexibele displays en draagbare technologieën.

Wereldwijd zijn onderzoekers op zoek naar nieuwe materialen die de prestaties kunnen verbeteren van basiscomponenten die nodig zijn om organische elektronica te ontwikkelen.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de afdeling Materials Science and Engineering van Tokyo Tech, waaronder Tsuyoshi Michinobu en Yang Wang, rapporteren een manier om de elektronenmobiliteit van halfgeleidende polymeren te vergroten, die voorheen moeilijk te optimaliseren waren. Hun hoogwaardige materiaal bereikt een elektronenmobiliteit van 7,16 cm2 V-1 s-1, wat neerkomt op een stijging van meer dan 40 procent ten opzichte van eerdere vergelijkbare resultaten.

In hun studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , ze richtten zich op het verbeteren van de prestaties van materialen die bekend staan ​​als n-type halfgeleidende polymeren. Deze n-type (negatieve) materialen zijn elektronendominant, in tegenstelling tot p-type (positieve) materialen die gatendominant zijn. "Omdat negatief geladen radicalen intrinsiek onstabiel zijn in vergelijking met positief geladen radicalen, het produceren van stabiele n-type halfgeleidende polymeren was een grote uitdaging in de organische elektronica, " legt Michinobu uit.

Het onderzoek richt zich dus zowel op een fundamentele uitdaging als op een praktische behoefte. Wang merkt op dat veel organische zonnecellen, bijvoorbeeld, zijn gemaakt van p-type halfgeleidende polymeren en n-type fullereenderivaten. Het nadeel is dat deze laatste duur zijn, moeilijk te synthetiseren en incompatibel met flexibele apparaten. "Om deze nadelen te overwinnen, " hij zegt, "High-performance n-type halfgeleidende polymeren zijn zeer gewenst om het onderzoek naar volledig polymere zonnecellen vooruit te helpen."

De methode van het team omvatte het gebruik van een reeks nieuwe poly(benzothiadiazool-naftaleendiimide)-derivaten en het verfijnen van de structuur van de ruggengraat van het materiaal. Dit werd mogelijk gemaakt door de introductie van vinyleenbruggen die waterstofbruggen kunnen vormen met naburige fluor- en zuurstofatomen. De introductie van deze vinyleenbruggen vereiste een technisch hoogstandje om de reactieomstandigheden te optimaliseren.

Algemeen, het resulterende materiaal had een verbeterde moleculaire verpakkingsvolgorde en grotere sterkte, die bijdroegen aan de toegenomen elektronenmobiliteit.

Met behulp van technieken zoals grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS), de onderzoekers bevestigden dat ze een extreem korte π-π stapelafstand van slechts 3,40 angstrom bereikten. "Deze waarde is een van de kortste voor organische halfgeleidende polymeren met een hoge mobiliteit, ' zegt Michinobu.

Er zijn nog een aantal uitdagingen. "We moeten de ruggengraatstructuur verder optimaliseren, " gaat hij verder. "Tegelijkertijd zijketengroepen spelen ook een belangrijke rol bij het bepalen van de kristalliniteit en pakkingsoriëntatie van halfgeleidende polymeren. We hebben nog ruimte voor verbetering."

Wang wijst erop dat de laagste onbezette moleculaire orbitale (LUMO) niveaus zich bevonden op -3,8 tot -3,9 eV voor de gerapporteerde polymeren. "Omdat diepere LUMO-niveaus leiden tot sneller en stabieler elektronentransport, verdere ontwerpen die sp2-N introduceren, fluor- en chlooratomen, bijvoorbeeld, zou kunnen helpen om nog diepere LUMO-niveaus te bereiken, " hij zegt.

In de toekomst, de onderzoekers zullen ook streven naar het verbeteren van de luchtstabiliteit van n-kanaaltransistors - een cruciaal probleem voor het realiseren van praktische toepassingen, waaronder complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) -achtige logische circuits, volledig polymeer zonnecellen, organische fotodetectoren en organische thermo-elektriciteit.