Lumina permite doparea n "imposibilă" a semiconductorilor organici - Helmholtz-Zentrum Berlin
Aplicații în diode emițătoare de lumină sau celule solare
Doparea semiconductorilor organici cu sarcini negative este deosebit de dificilă. Acum, o echipă de cercetători germano-americani a recurs la un truc: în primul pas, au cuplat moleculele donatoare de sarcină sensibilă (n-dopanți) în perechi pentru a forma dimeri care sunt mult mai stabili. Acești dimeri ar putea fi încorporați în semiconductorii organici, dar nu au contribuit la conductivitate. Asta s-a schimbat după o scurtă expunere la lumină. Echipa a arătat că lumina descompune dimerii din nou în molecule individuale de dopant n într-un proces în mai multe etape. Acest lucru a crescut conductivitatea semiconductorului organic cu un factor de o sută de mii. Rezultatele au fost publicate acum în Nature Materials.
Componentele semiconductoare sunt utilizate peste tot, nu numai în microcipuri, ci și în celulele solare care transformă lumina în energie electrică și în multe alte aplicații de zi cu zi. În ultimii ani, materialele organice semiconductoare au fost, de asemenea, din ce în ce mai cercetate și dezvoltate în continuare. Proprietățile lor se bazează, de asemenea, pe încorporarea țintită a unui număr mic de atomi sau molecule străine, ceea ce face ca conductivitatea lor să fie precis ajustabilă.
Pentru aplicații interesante, totuși, sunt necesare atât așa-numitele straturi semiconductoare dopate p, cât și n-dopate, care sunt combinate între ele pentru a forma componentele corespunzătoare. Cu toate acestea, în semiconductorii organici este extrem de dificil să se realizeze dopajul de tip n. Deoarece acest lucru necesită încorporarea unei anumite clase de molecule organice, care se descompun foarte repede în condiții ambientale (oxigen, umiditate).
Doi pași către succes
Într-un articol recent din Nature Materials, o echipă germano-americană a încercat o nouă abordare a dopării semiconductoarelor organice cu n-molecule. Grupuri de la Institutul de Tehnologie din Georgia, Universitatea Princeton, Universitatea Humboldt din Berlin și Centrul Helmholtz din Berlin au fost implicate în lucrare.
Noua abordare constă în doi pași. În prima etapă, moleculele organometalice, n-dopanții, au fost combinate pentru a forma un așa-numit dimer. Spre deosebire de moleculele inițiale, această moleculă cuplată este relativ stabilă și poate fi introdusă în semiconductorul organic fără a fi distrusă; cu toate acestea, nu este potrivit ca n-dopant și nu eliberează nicio încărcare negativă.
Al doilea pas revoluționar a fost acela de a face lumină asupra amestecului. Într-un proces în mai multe etape, fotonii incidenți descompun dimerii din nou în moleculele active de pornire, care își pot dezvolta pe deplin efectul ca n-dopanți.
Conductivitate sporită și durată de viață
„Prin activarea dopanților cu lumină, am putut crește conductivitatea semiconductoarelor organice cu cinci ordine de mărime! Acest lucru ar putea crește semnificativ eficiența diodelor organice care emit lumină și a celulelor solare ”, spune prof. Antoine Kahn de la Universitatea Princeton, care a coordonat proiectul.
„Această cercetare permite o producție mult mai simplă de materiale organice semiconductoare dopate cu n-dop pentru o mare varietate de aplicații. Pasul critic - și anume descompunerea moleculelor dimerice cu lumină - poate avea loc și după încapsulare - astfel încât moleculele dopante să rămână protejate. Acest lucru va crește, de asemenea, durata de viață a acestor componente ”, explică prof. Norbert Koch, care conduce grupul comun de cercetare„ Sisteme moleculare ”la HU Berlin și HZB.
Nature Materials (2017): Depășirea limitei termodinamice cu foto-activarea dopajului n în semiconductorii organici. Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Koch și Antoine Kahn