Halfgeleidende polymeren, groot, ketenachtige moleculen gemaakt van herhalende subeenheden, trekken steeds meer de aandacht van onderzoekers vanwege hun potentiële toepassingen in organische elektronische apparaten. Zoals de meeste halfgeleidende materialen, halfgeleidende polymeren kunnen worden geclassificeerd als p-type of n-type op basis van hun geleidende eigenschappen. Hoewel p-type halfgeleidende polymeren dankzij recente ontwikkelingen dramatische verbeteringen hebben ondergaan, hetzelfde kan niet gezegd worden over hun n-type tegenhangers, waarvan de elektronengeleiding (of 'elektronenmobiliteit') nog steeds slecht is.

Helaas, hoogwaardige n-type halfgeleidende polymeren zijn nodig voor veel groene toepassingen, zoals in soorten zonnecellen. De belangrijkste uitdagingen die de ontwikkeling van n-type halfgeleidende polymeren tegenhouden, zijn de beperkte beschikbare moleculaire ontwerpstrategieën en syntheseprocedures. Onder de bestaande synthesemethoden, DArP (wat staat voor 'direct arylation polycondensation') heeft veelbelovende resultaten laten zien voor het produceren van n-type halfgeleidende polymeren op een milieuvriendelijke en efficiënte manier. Echter, tot nu, de bouwstenen (monomeren) die in de DArP-methode worden gebruikt, moesten een oriënterende groep hebben om betrouwbaar polymeren te produceren, en dit beperkte de toepasbaarheid van DArP om hoogwaardige halfgeleidende polymeren te maken ernstig.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology onder leiding van prof. Tsuyoshi Michinobu heeft hier een oplossing voor gevonden. De groep produceerde twee lange n-type halfgeleidende polymeren (aangeduid als P1 en P2) via de DArP-methode door palladium en koper als katalysatoren te gebruiken, dat zijn materialen of stoffen die kunnen worden gebruikt om specifieke reacties te bevorderen of te remmen.

De twee polymeren waren bijna identiek en bevatten twee thiazoolringen:vijfhoekige organische moleculen die een stikstofatoom en een zwavelatoom bevatten. Echter, de positie van het stikstofatoom van de thiazoolringen was iets anders tussen P1 en P2, die, zoals de onderzoekers ontdekten, leidden tot significante en onverwachte veranderingen in hun halfgeleidende eigenschappen en structuur. Hoewel P1 een meer vlakke structuur had en naar verwachting een hogere elektronenmobiliteit zou hebben, P2 stal de show. De ruggengraat van dit polymeer is gedraaid en lijkt op afwisselende kettingschakels. Belangrijker, de onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat de elektronenmobiliteit van P2 40 keer hoger was dan die van P1, en zelfs hoger dan die van de huidige benchmark n-type halfgeleidende polymeer. "Onze resultaten suggereren de mogelijkheid dat P2 de nieuwe maatstaf is onder n-type halfgeleidende materialen voor organische elektronica, " zegt prof. Michinobu.

In aanvulling, halfgeleidende apparaten gemaakt met P2 waren ook opmerkelijk stabiel, zelfs wanneer het lange tijd in de lucht wordt bewaard, wat bekend staat als een zwakte van n-type halfgeleidende polymeren. De onderzoekers zijn van mening dat de veelbelovende eigenschappen van P2 zijn vanwege de meer kristallijne (geordende) structuur in vergelijking met P1, wat het eerdere idee verandert dat halfgeleidende polymeren een zeer vlakke structuur moeten hebben om betere halfgeleidende eigenschappen te hebben. "Onze nieuwe DArP-methode opent een deur voor het synthetiseren van verschillende veelbelovende n-type halfgeleidende polymeren die niet via traditionele methoden kunnen worden verkregen, " concludeert prof. Michinobu. Dit werk is een nieuwe stap in de richting van een groenere toekomst met duurzame organische elektronica.