NUS-wetenschappers hebben gerapporteerd in Natuur de ontdekking van latente universele elektronendonoren van gewone anionen, zoals oxalaat, die krachtig elektronen kunnen overbrengen naar organische halfgeleiders, het realiseren van de droom om elektroneninjectielagen te bereiken met ultralage werkfuncties die toch vanuit oplossing in de omgeving kunnen worden verwerkt. Dit zal naar verwachting veel nieuwe mogelijkheden bieden, niet alleen voor organische elektronica, maar ook andere geavanceerde halfgeleiders, inclusief kwantumstippen, nanodraden, tweedimensionale (2-D) materialen, en perovskieten.

De werkfunctie van een materiaal is de minimale hoeveelheid energie die nodig is om het minst strak gebonden elektron naar vacuüm te verwijderen. Dit bepaalt het vermogen van dat materiaal om elektronen in een halfgeleider te injecteren. Elektroneninjectielagen vereisen een voldoende lage werkfunctie, bij voorkeur veel kleiner dan 4 elektronvolt, om efficiënt te injecteren in (en te verzamelen) elektronen van veel nieuwe halfgeleiders. Dit vereist echter meestal het verdampen van dunne films van reactieve metalen in vacuümomstandigheden, die de apparaatarchitectuur beperkt, verwerkbaarheid, en maakbaarheid. Materialen met een ultralage werkfunctie worden afgebroken door blootstelling aan lucht.

Nutsvoorzieningen, het Chemistry-team onder leiding van Prof Lay-Lay CHUA, en natuurkundeteams onder leiding van Dr. Rui-Qi PNG en Prof Peter HO, van het Organic Nano Device Laboratory, NUS hebben aangetoond dat multivalente anionen, zoals oxalaat, carbonaat en sulfiet, kunnen fungeren als krachtige latente elektronendonoren, wanneer ze zijn gedispergeerd als kleine ionenclusters in een polymeermatrix van geschikte geconjugeerde polyelektrolyten. Geconjugeerde polyelektrolyten zijn polymeren met ionische zijgroepen en gedelokaliseerde elektronen in de ruggengraat. Cruciaal, het mengsel kan worden verwerkt uit oplossing in lucht, en het anion brengt spontaan elektronen over naar de polymeergastheer alleen na drogen, waardoor het materiaal op een toevallige manier wordt beschermd tegen atmosferische degradatie. Met de juiste polyelektrolytgastheer, werkfuncties zo laag als 2,4 elektron-volt zijn bereikt, het overwinnen van het al lang bestaande raadsel om ultralage werkfunctiematerialen te combineren met oplossingsverwerking. Het onderzoeksteam heeft de veelzijdigheid van deze ontdekking aangetoond door een verscheidenheid aan hoogwaardige witlicht-emitterende diodes en organische zonnecellen te maken met behulp van in oplossing verwerkte elektroneninjectielagen.

"In tegenstelling tot voorloperdoteringsmiddelen, deze anionen hebben geen chemische transformatie nodig om actief te worden, " Dr. Png legde uit. "Ze werken omdat de afstoting tussen elektronen in deze anionen ervoor zorgt dat hun elektronendonorniveau hoog blijft, zelfs in vaste toestand, wanneer ze uitgedroogd raken. Samen met een zorgvuldig ontwerp van de polyelektrolytgastheer, we kunnen ultralage werkfunctiematerialen bereiken die voorheen niet voor mogelijk werden gehouden."

Prof Chua zei:"Dit werk strekt zich uit, en hefboomwerking op, het zelfgecompenseerde lading-gedoteerde polymeerplatform waarmee we drie jaar geleden pionierden." Ze voegde eraan toe:"Het was een aangename verrassing van de natuur dat zulke eenvoudige anionen kunnen worden gebruikt om te bereiken wat de afgelopen twee decennia de heilige graal van dit veld is geweest."

De teams werken momenteel samen met industriële en academische partners om de aanpak uit te breiden naar andere soorten apparaten, en om de technologie vast te stellen.