Onze smartphones, tabletten, computers en biosensoren zijn allemaal verbeterd vanwege de snel toenemende efficiëntie van halfgeleiders.

Sinds het begin van de 21e eeuw, biologisch, of op koolstof gebaseerde, halfgeleiders zijn naar voren gekomen als een belangrijk interessegebied voor wetenschappers omdat ze goedkoop zijn, overvloedig en lichtgewicht, en ze kunnen stroom geleiden op manieren die vergelijkbaar zijn met anorganische halfgeleiders, die zijn gemaakt van metaaloxiden of silicium.

Nutsvoorzieningen, materiaalwetenschappers van het California NanoSystems Institute aan de UCLA hebben een manier ontdekt om organische halfgeleiders krachtiger en efficiënter te maken.

Hun doorbraak was het creëren van een verbeterde structuur voor één type organische halfgeleider, een bouwsteen van een geleidend polymeer genaamd tetraaniline. De wetenschappers toonden voor het eerst aan dat tetraanilinekristallen verticaal konden worden gekweekt.

De vooruitgang zou uiteindelijk kunnen leiden tot sterk verbeterde technologie voor het opvangen van zonne-energie. In feite, het zou zonnecellen letterlijk kunnen hervormen. Wetenschappers zouden mogelijk "lichtantennes" kunnen maken - dunne, paalachtige apparaten die licht uit alle richtingen kunnen absorberen, wat een verbetering zou zijn ten opzichte van de huidige brede, platte panelen die slechts licht van één oppervlak kunnen absorberen.

De studie, onder leiding van Richard Kaner, onderscheiden hoogleraar scheikunde en biochemie en materiaalkunde en techniek, werd onlangs online gepubliceerd door het tijdschrift ACS Nano .

Het UCLA-team liet de tetraanilinekristallen verticaal uit een substraat groeien, dus de kristallen stonden als spikes op in plaats van plat te liggen zoals ze doen wanneer ze worden geproduceerd met behulp van de huidige technieken. Ze produceerden de kristallen in een oplossing met behulp van een substraat gemaakt van grafeen, een nanomateriaal bestaande uit grafiet dat extreem dun is - het meten van de dikte van een enkel atoom. Wetenschappers hadden eerder kristallen verticaal gekweekt in anorganische halfgeleidende materialen, inclusief silicium, maar het was moeilijker om het in organische materialen te doen.

Tetraaniline is een wenselijk materiaal voor halfgeleiders vanwege zijn bijzondere elektrische en chemische eigenschappen, die worden bepaald door de oriëntatie van zeer kleine kristallen die het bevat. Apparaten zoals zonnecellen en fotosensoren werken beter als de kristallen verticaal groeien, omdat verticale kristallen dichter in de halfgeleider kunnen worden gepakt, waardoor het krachtiger en efficiënter is in het regelen van elektrische stroom.

"Deze kristallen zijn analoog aan het organiseren van een tafel bedekt met verspreide potloden in een potloodbeker, " zei Yue "Jessica" Wang, een voormalige UCLA-doctoraatsstudent die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Stanford University en de eerste auteur van de studie was. "De verticale oriëntatie kan veel ruimte besparen, en dat kan kleiner betekenen, efficiëntere persoonlijke elektronica in de nabije toekomst."

Toen Kaner en zijn collega's ontdekten dat ze de tetraaniline-oplossing konden leiden om verticale kristallen te laten groeien, ontwikkelden ze een eenstapsmethode om zeer geordend te telen, verticaal uitgelijnde kristallen voor een verscheidenheid aan organische halfgeleiders met hetzelfde grafeensubstraat.

"De sleutel was het ontcijferen van de interacties tussen organische halfgeleiders en grafeen in verschillende oplosmiddelomgevingen, ' zei Wang. 'Toen we dit complexe mechanisme eenmaal begrepen, het kweken van verticale organische kristallen werd eenvoudig."

Kaner zei dat de onderzoekers ook een ander voordeel van het grafeensubstraat ontdekten.

"Deze techniek stelt ons in staat om kristallen te modelleren waar we maar willen, " zei hij. "Je zou elektronische apparaten kunnen maken van deze halfgeleiderkristallen en ze precies laten groeien in ingewikkelde patronen die nodig zijn voor het apparaat dat je wilt, zoals dunne-filmtransistors of lichtemitterende diodes."