Silicon Valley in Californië en Silicon Slopes in Utah zijn genoemd naar het element dat het meest wordt geassocieerd met halfgeleiders, de ruggengraat van de computerrevolutie. Alles wat geautomatiseerd of elektronisch is, is afhankelijk van halfgeleiders, een stof met eigenschappen die onder bepaalde omstandigheden elektrische stroom geleiden. Traditionele halfgeleiders zijn gemaakt van anorganische materialen, zoals silicium, waarvoor enorme hoeveelheden water en energie nodig zijn om te produceren.

Wetenschappers proberen al jaren milieuvriendelijke alternatieven te maken met behulp van organische materialen, zoals polymeren. Polymeren worden gevormd door kleine moleculen aan elkaar te koppelen om lange ketens te maken. Het polymerisatieproces vermijdt veel van de energie-intensieve stappen die nodig zijn bij de traditionele productie van halfgeleiders en gebruikt veel minder water en minder gassen en chemicaliën.

Ze zijn ook goedkoop om te maken en zouden flexibele elektronica, draagbare sensoren en biocompatibele apparaten mogelijk maken die in het lichaam kunnen worden geïntroduceerd. Het probleem is dat hun geleidbaarheid, hoewel goed, niet zo hoog is als die van hun anorganische tegenhangers.

Alle elektronische materialen vereisen doping, een methode om moleculen in halfgeleiders te injecteren om de geleidbaarheid te vergroten. Wetenschappers gebruiken moleculen die doteermiddelen worden genoemd om de geleidende delen van elektrische circuits te definiëren. Doping in organische materialen heeft wetenschappers geplaagd vanwege een gebrek aan consistentie. Soms verbeteren doteermiddelen de geleidbaarheid, terwijl ze op andere momenten de geleidbaarheid juist verergeren.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers van de Universiteit van Utah en de Universiteit van Massachusetts Amherst de fysica blootgelegd die de interacties tussen doteermiddelen en polymeer aanstuurt en die het inconsistente geleidingsprobleem verklaren.

Het team ontdekte dat positief geladen dragers negatief geladen doteermiddelen uit de polymeerketens trekken, waardoor de stroom van elektrische stroom wordt verhinderd en de geleidbaarheid van het materiaal wordt aangetast. Uit hun experimenten bleek echter dat wanneer er voldoende doteermiddelen in het systeem werden geïnjecteerd, het gedrag van de elektronen veranderde en als een collectief scherm tegen de aantrekkingskrachten ging fungeren, waardoor de rest van de elektronen ongehinderd kon stromen.

"Het ideale geval zou zijn om een ​​aantal vrije elektronen in het materiaal te dumpen om het geleidingswerk te doen. Dat kan natuurlijk niet:we moeten moleculen gebruiken om de elektronen te leveren", zegt Zlatan Akšamija, universitair hoofddocent materialen. wetenschap en techniek aan de U en hoofdauteur van het onderzoek. "Onze volgende stap is het vinden van de combinaties van doteerstof en organisch materiaal die die interactie kunnen verzwakken en de geleidbaarheid nog hoger kunnen maken. Maar we begrepen die interactie nog niet goed genoeg om er tot nu toe mee om te kunnen gaan."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Dopingsappen geleiden de geleidbaarheid

Elektriciteit is een stroom van elektronen. Silicium op zichzelf is een slechte geleider:vier elektronen in de buitenste orbitaal vormen perfecte covalente bindingen met nabijgelegen siliciumatomen, waardoor er geen vrije elektronen overblijven. Hier komt doping om de hoek kijken. Het toevoegen van een onzuiverheid aan het silicium kan twee dingen doen:extra elektronen in het systeem brengen of de elektronen in het systeem verminderen, waardoor positief geladen dragers ontstaan ​​die gaten worden genoemd.

Arseen is bijvoorbeeld een veelgebruikt doteringsmiddel omdat het vijf elektronen in zijn buitenste orbitaal heeft:vier zullen zich binden aan het silicium en de vijfde zal vrij blijven. Uiteindelijk zullen de doteerstoffen voldoende vrije elektronen bijdragen om een ​​elektrische stroom door het silicium te laten stromen.

In tegenstelling tot silicium hebben organische materialen een ongeordende structuur in hun polymeerketens, wat resulteert in gecompliceerde interacties tussen de extra elektronen van de doteerstof en het gepolymeriseerde materiaal, legt Akšamija uit.

"Stel je voor dat polymeren een kom spaghetti zijn. Ze stapelen niet echt perfect. Daarom worden de elektronen gedwongen om van het ene deel van het polymeer naar het andere en naar de volgende keten te springen, voortgestuwd door de spanning, " zei hij.

Elke doteringsstof draagt ​​één elektron tegelijk bij aan het systeem, wat betekent dat in eerste instantie de elektronen die door het polymeer springen, verdund worden. Als een elektron langs de keten springt en in de buurt van een doteringsmiddel passeert, zullen de tegenovergestelde ladingen elkaar aantrekken, waardoor het elektron uit zijn koers raakt en de elektrische stroom wordt verstoord.

De onthulling van dit onderzoek was dat dit gedrag veranderde naarmate er een kritische massa aan elektronen in het systeem aanwezig was:wanneer een drempel wordt overschreden, reageert de menigte elektronen collectief. Wanneer een groep elektronen een doteringsmiddel passeert, worden sommige naar de lading getrokken en creëren ze een scherm dat de rest van de elektronen verhindert de interactie te voelen.

"En dat is waar de screening echt het werk doet door de doteermiddelen te blokkeren. De vervoerders screenen de doteermiddelen weg, waardoor het voor andere vervoerders gemakkelijker wordt om efficiënter rond te hoppen. Dit artikel beschrijft het fysieke mechanisme waarmee dit gebeurt", zei Akšamija.

Experimentatie en theorie

De scheikundigen van UMass Amherst voerden de fysieke experimenten uit. Ze gebruikten twee soorten polymeren met structuren die steeds minder ongeordend waren. Vervolgens gebruikten ze een oplosmiddel en brachten dit op een dunne laag glas aan. Vervolgens doteerden ze het polymeer met jodiumdampen. Eén voordeel van jodium is dat het onstabiel is:na verloop van tijd verliest het polymeer geleidelijk doteringsmoleculen door verdamping.

"Dit was nuttig voor experimenten omdat we de geleidbaarheid van het polymeer gedurende een periode van 24 of 48 uur kunnen blijven meten. Dit protocol geeft ons een geleidbaarheidscurve als functie van hoeveel doteerstoffen er nog in het materiaal zitten", zegt Dhandapani Venkataraman. , hoogleraar scheikunde aan UMASS Amherst en co-auteur van het onderzoek.

"Het is een handige truc om toegang te krijgen tot bijna vier ordes van grootte aan lading in geleidbaarheid, van lage, gemiddelde tot hoge concentraties doteermiddelen... helemaal tot aan het in essentie terugkeren naar de oorspronkelijke, ongerepte isolerende staat."

De scheikundigen voerden experimenten uit met twee verschillende versies van hetzelfde polymeer:​​een die regelmatiger was en een die meer ongeordend was. Ze konden vervolgens de geleidbaarheid in de twee polymeren vergelijken naarmate de doteerstofconcentratie veranderde.

"In eerste instantie waren we verbaasd over enkele van de experimentele resultaten, vooral toen we een groot aantal doteermiddelen hadden. We verwachtten dat het ongeordende polymeer bij alle concentraties van de doteermiddelen zeer inferieur zou zijn aan het geordende polymeer. Maar dat was niet het geval. geval," zei Venkataraman.

De onderzoeksgroep van Akšamija richtte zich op de interacties van de materialen. Ze waren in staat de verschillende exemplaren van hetzelfde polymeer te contrasteren met grotere of kleinere hoeveelheden wanorde om te onderscheiden waar de screening plaatsvond.

Dit screeninggedrag werd nooit beschouwd als onderdeel van organische halfgeleidersystemen, dus haalden ze papier en potloden tevoorschijn om te begrijpen hoe moleculen en ladingen op elkaar inwerken, gebruikmakend van de eerste natuurkundige principes:wat is de onderliggende vergelijking die de interactie van ladingen regelt? Het laboratorium van Akšamija begon daar en bouwde het weer op. Vervolgens vertaalden ze de formules in code die het springen van elektronen in de aanwezigheid van doteermiddelen simuleerde, terwijl het screeninggedrag werd meegenomen.

"We waren eindelijk op het punt gekomen waarop de computersimulaties de experimenten echt kunnen vastleggen, niet alleen kwalitatief, maar ook echt kwantitatief. De enige manier om de simulatie en de experimenten op één lijn te krijgen, was door dit effect van screening op te nemen, " zei Akšamija.

Momenteel gebruiken de auteurs kunstmatige intelligentie om nieuwe combinaties van polymeren en doteermiddelen te ontdekken die de hoogste geleidbaarheid kunnen opleveren.

Meer informatie: Muhamed Duhandžić et al. Screening op dragerschap controleert het transport van geconjugeerde polymeren bij hoge dopingconcentraties, Fysieke beoordelingsbrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.248101. OparXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.03726

Aangeboden door Universiteit van Utah