Organische halfgeleiders van slechte kwaliteit kunnen halfgeleiders van hoge kwaliteit worden als ze op de juiste manier worden vervaardigd. Onderzoekers van de Universiteit van Linköping laten in een artikel in Nature Materials zien dat de beweging van ladingen in organische elektronische apparaten dramatisch wordt vertraagd door kleine hoeveelheden water.

De ontdekking dat organische materialen, zoals polymeren, kan fungeren als halfgeleiders leidde tot een Nobelprijs voor de Scheikunde in 2000. Sindsdien onderzoek binnen organische elektronica is echt geëxplodeerd, niet in de laatste plaats aan de Universiteit van Linköping, die de thuisbasis is van toonaangevend onderzoek in het veld.

Organische halfgeleiders, echter, stroom niet zo efficiënt geleiden als, bijvoorbeeld, halfgeleiders van silicium of andere anorganische materialen. De wetenschappers hebben ontdekt dat een van de oorzaken hiervan de vorming van vallen is in de organische materialen waarin de ladingsdragers vast komen te zitten. Verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben hard gewerkt om niet alleen te begrijpen waar de vallen zich bevinden, maar ook hoe ze kunnen worden geëlimineerd.

"Er zijn vallen in alle organische halfgeleiders, maar ze zijn waarschijnlijk een groter probleem in n-type materialen, aangezien dit over het algemeen slechtere halfgeleiders zijn dan p-type materialen", zegt Martijn Kemerink, hoogleraar toegepaste fysica in de afdeling voor complexe materialen en apparaten aan de Universiteit van Linköping.

Materialen van het p-type hebben een positieve lading en de ladingsdragers bestaan ​​uit gaten, terwijl materialen van het n-type ladingsdragers hebben in de vorm van elektronen, waardoor het materiaal een negatieve lading krijgt.

Martijn Kemerink en zijn collega's van Linköping University hebben geconcludeerd dat water de slechterik is in het stuk. specifiek, het water zou in poriën van nanometergrootte in het organische materiaal zitten en uit de omgeving worden geabsorbeerd.

"In een p-type materiaal zijn de dipolen in het water uitgelijnd met hun negatieve uiteinden in de richting van de gaten, welke positief geladen is, en de energie van het volledige systeem wordt verlaagd. Je zou kunnen zeggen dat de dipolen de ladingsdragers zo insluiten dat ze nergens meer heen kunnen", zegt Martijn Kemerink.

Voor n-type materialen, het water oriënteert zich andersom, maar het effect is hetzelfde, de lading zit vast.

Er zijn experimenten uitgevoerd waarbij het materiaal wordt verwarmd, om het uit te drogen en het water te laten verdwijnen. Het gaat een tijdje goed, maar het materiaal neemt vervolgens weer water op uit de omgevingslucht, en veel van het voordeel van drogen verdwijnt.

"Hoe meer water, hoe meer vallen. We hebben ook aangetoond dat hoe droger de films kunnen worden vervaardigd, hoe beter ze zijn. Het theoretische werk van Mathieu Linares bevestigde kwantitatief onze ideeën over wat er gaande was, dat wat zeer bevredigend was. Ons artikel in Nature Materials laat niet alleen zien hoe je het water eruit haalt, maar ook hoe je ervoor zorgt dat het water buiten blijft, om een ​​organisch materiaal met stabiele geleidbaarheid te produceren."

Om de heropname van water in het materiaal na het drogen te voorkomen, de wetenschappers hebben ook een manier ontwikkeld om de holtes te verwijderen waarin watermoleculen anders zouden zijn binnengedrongen. Deze methode is gebaseerd op een combinatie van verhitting van het materiaal in aanwezigheid van een geschikt organisch oplosmiddel.

"Materialen waarvan eerder werd aangenomen dat ze extreem slechte halfgeleiders waren, kunnen in plaats daarvan goede halfgeleiders worden, zolang ze in een droge atmosfeer worden vervaardigd. We hebben aangetoond dat droog geprepareerde materialen de neiging hebben om droog te blijven, terwijl materialen die in aanwezigheid van water zijn gemaakt, kunnen worden gedroogd. De laatste zijn, echter, extreem gevoelig voor water. Dit geldt voor de materialen die we hebben getest, maar niets wijst erop dat andere organische halfgeleidende materialen zich anders gedragen", zegt Martijn Kemerink.