Autor John Sullivan (Instituto de Tecnologia de Comunicações da Princeton)
Compilou Lin Xin (primeiro autor de papel)
A descoberta de uma equipe internacional da Universidade de Princeton, do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Humboldt-Universität Berlin abriu a porta para o uso mais generalizado de eletrônicos orgânicos de alta tecnologia.
A pesquisa, focada em semicondutores orgânicos, foi publicada na edição de 13 de novembro da Nature Materials, que é valorizada por suas tecnologias emergentes, como eletrônicos flexíveis, conversão de energia solar e smartphones e A tela a cores de alta qualidade da TV, que é simplesmente uma grande ajuda no lançamento de diodos orgânicos emissores de luz que emitem altas energias de fótons, como luz verde e azul.
"Os semicondutores orgânicos são materiais ideais para dispositivos flexíveis com baixo consumo de energia e baixa temperatura de processo", disse Lin Xin, um estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica de Princeton, que também é o principal autor do estudo. "Uma das principais desvantagens é o parente A condutividade elétrica fraca, que em algumas aplicações leva a dispositivos problemáticos e ineficientes, e estamos buscando novas maneiras de melhorar as propriedades elétricas dos semicondutores orgânicos.
Os semicondutores, comumente de silício, são a pedra angular da eletrônica moderna porque os engenheiros podem aproveitar suas propriedades exclusivas para controle de corrente e, em muitas aplicações, os dispositivos semicondutores são usados para computação, processamento de sinais e comutação. Eles também são usados em dispositivos de poupança de energia , Tais como diodos emissores de luz e dispositivos de conversão de energia, como células solares.
O doping é a natureza mais essencial dessas funções e refere-se à composição química dos semicondutores sendo ajustada pela adição de pequenas quantidades de outros produtos químicos ou impurezas Ao selecionar o tipo e a quantidade de dopantes, os pesquisadores são relativamente livres para ajustar os elétrons dos semicondutores Estrutura de banda e propriedades elétricas.
Em seu artigo, os pesquisadores descreveram uma nova maneira de melhorar a condutividade de semicondutores orgânicos, feitos de moléculas de carbono em vez de átomos de silício, que é um composto contendo rutênio usado como agente redutor Em outras palavras, a introdução de elétrons adicionais nos semicondutores orgânicos durante parte do processo de doping. Esses elétrons adicionais são a chave para aumentar a condutividade dos semicondutores, que pertencem aos dopantes organometálicos dímeros recentemente desenvolvidos e outros fortes. Ao contrário do redutor, esses dopantes são estáveis para a exposição ao ar e tornam-se fortes doadores de elétrons após a reação com outros semicondutores na formação de solventes ou filmes.
Seth Marder e Stephen Barlow da Georgia Tech dominam o desenvolvimento deste novo dopante e chamam o composto de rutênio contendo "dopante super-reduzido". Eles dizem que não é incomum combinar com dar Os elétrons e a capacidade de existir de forma estável no ar e porque eles funcionam em uma classe de semicondutores orgânicos que anteriormente foram difíceis de serem dopados. Os pesquisadores da Princeton descobriram que esse novo tipo de dopante pode melhorar a condutividade desses semicondutores por centenas Wan times.
Este composto contendo ruténio é um dímero, isto é, consiste em duas moléculas idênticas ou monómeros, ligadas por uma ligação química. Apenas porque o composto é relativamente estável, quando adicionado aos difíceis de ser Semicondutor dobrado, ele não reage espontaneamente, mas permanece em equilíbrio, o que levanta a questão de aumentar a condutividade dos semicondutores que reagem com os semicondutores e, em seguida, dividido em dois únicos Corpo.
Lin Xin disse que estavam procurando maneiras diferentes de separar o dímero de rutênio para ativar o doping. Eventualmente, ele e Berthold Wegner, um estudante graduado visitante do grupo Norbert Koch da Universidade Humboldt, descobriram sobre como funcionam os sistemas fotoquímicos Eles irradiaram o sistema com luz UV porque a luz UV excita as moléculas no semicondutor e, em seguida, dirige o início de toda a reação, de modo que o dímero pode usar este semicondutor difícil de dopado sob iluminação e produzir 100.000 ou mesmo mais Milhões de vezes a melhoria da condutividade.
Em seguida, os pesquisadores realizaram observações interessantes.
"Uma vez que você pare de iluminar, pode-se pensar simplesmente que a reação inversa ocorrerá, o que leva à perda de condutância aumentada", disse Marder. "Mas isso não é verdade".
Os pesquisadores descobriram que o monómero de rutênio pode permanecer isolado no semicondutor, de modo que a condutância aumentada não desaparece, mesmo que os princípios termodinâmicos permitam que as moléculas tendam a retornar à sua estrutura dimérica original.
Antoine Kahn, Stephen C. Macaleer, cadeira de engenharia e ciência aplicada, liderou toda a equipe de pesquisa e disse que a distribuição de localização das moléculas no semicondutor dopado fornece uma possível resposta ao quebra-cabeça: eles assumem que o monómero está no semicondutor Distribuídos dentro da distribuição, tornando difícil para eles retornar ao layout original e depois re-dimeric. Ele disse que, porque a reorganização requer que o monómero deve ter a orientação correta, mas neste sistema híbrido, o monómero é sempre distorcido. Portanto, Embora a termodinâmica permita que o monómero seja reorganizado, isso não acontece muito rapidamente na maioria das células.
"A questão é por que esses monómeros não são reorganizados em equilíbrio", disse Kahn. "A resposta é que eles são restritos termodinamicamente".
De fato, os pesquisadores observaram esses semicondutores dopados há mais de um ano e encontraram apenas uma ligeira diminuição na condutividade e, ao mesmo tempo, nos LEDs fabricados a partir desses materiais, descobriram que o doping foi emitido pelo dispositivo A Light continua a ser ativada. Esses dispositivos foram fabricados em parceria com Barry Rand, professor assistente no Departamento de Engenharia Elétrica de Princeton e no Anglinger Center for Energy and Environment.
"Com cada passo do sistema, a luz produz mais luz para ativação adicional até que esteja totalmente ativada", disse Mader, o principal professor de eficiência energética da Georgia Power e professor de química na Universidade. Esta é uma descoberta muito nova e surpreendente.
Outros autores incluem alunos de pós-graduação de Princeton, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella e Zhang Fengyu, e Karttikay Moudgil da Georgia Tech.
A National Science Foundation e o Departamento de Energia dos EUA forneceram apoio parcial para o estudo.
Princeton Antoine Kahn Perfil do grupo: Concentrando-se nas propriedades eletrônicas, químicas, estruturais e elétricas dos materiais em dispositivos eletrônicos de filme fino, os interesses de pesquisa incluem uma variedade de materiais semicondutores (simples e compostos) e atualmente estão focados em eletrônica orgânica e molecular para orgânicos Pequenas moléculas e semicondutores de polímeros, metais e óxidos metálicos e dielétricos, e está particularmente interessado no processamento de materiais e interfaces com vista a melhorar OLEDs, FETs, células fotovoltaicas orgânicas e outros dispositivos de película fina para eletrônicos flexíveis em grande escala Possibilidades quase infinitas de síntese química de novos compostos moleculares, juntamente com a simplicidade incomparável da deposição de filmes em uma variedade de substratos por evaporação a vácuo, processos de solução ou impressão, fazem dos semicondutores orgânicos uma vantagem fundamental em relação a outros materiais semicondutores e Existem inúmeras possibilidades de inovação na estrutura do dispositivo.
http://www.ee.princeton.edu/research/kahn/
Doping and Related Directions Recentemente publicado (em parte)
Superando o limite termodinâmico com ativação da foto do n-doping em semicondutores orgânicos, Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Koch e Antoine Kahn.Nat. Mater. DOI: 10.1038 / NMAT5027 (2017)
Investigação do Dopante Molecular de Alta Electron F6-TCNNQ para materiais de transporte de furos, Fengyu Zhang e Antoine Kahn. Adv. Funct. Mater. 1703780 (2017)
Emparelhamento de células solares quase ultravioletas com janelas eletrocrômicas para gerenciamento inteligente do espectro solar, Nicholas C. Davy, Melda Sezen, Jia Gao, Xin Lin, Amy Liu, Antoine Kahn e Yueh-Lin Loo, Nature Energy, 2, 17104 (2017)
Tunelação morfológica das energias inorgânicas nas células solares orgânicas da fissão, YunHui L. Lin, Michael A. Fusella, Oleg V.Kozlov, Xin Lin, Antoine Kahn, Maxim S. Pshenichnikov e Barry P. Rand, Adv.Func. Mat., 26, 6489 (2016)
Impacto de uma Concentração de Baixo Dopante na Distribuição de Estados de Intervalo em um Semicondutor Molecular, Xin Lin, Geoffrey E.Purdum, Swagat K. Mohapatra, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Yueh-Lin Loo e Antoine Kahn, Chem. Esteira. 28, 2677 (2016)
Caracterização Experimental de Interfaces de Relevância para Eletrônica Orgânica, Gabriel Man, James Endres, Xin Lin e Antoine Kahn, na Referência WSPC em Eletrônica Orgânica, Jean-Luc Brédas e S. R. Marder, edts., World Scientific, cap. 6, p. 159-191