Автор Джон Салливан (Принстонский институт связи по технологическим коммуникациям)
Скомпилированный Линь Синь (первый автор статьи)
Открытие международной командой Принстонского университета, Технологического института Джорджии и Гумбольдта-Университета в Берлине открыло двери для более широкого использования высокотехнологичной органической электроники.
Исследование, посвященное органическим полупроводникам, было опубликовано в выпуске Nature Materials от 13 ноября, который получил известность за его использование в новых технологиях, таких как гибкая электроника, преобразование солнечной энергии и смартфоны и Высококачественный цветной экран телевизора, который представляет собой просто огромную помощь в запуске органических светодиодов, излучающих высокие энергии фотонов, такие как зеленый и синий свет.
«Органические полупроводники - идеальные материалы для изготовления гибких устройств с низким энергопотреблением и низкой технологической температурой», - сказал Лин Синь, студент PhD в отделе электротехники Принстона, который также является ведущим автором исследования. «Одним из главных недостатков является относительный Слабая электропроводность, которая в некоторых случаях приводит к неприятным и неэффективным устройствам, и мы ищем новые пути улучшения электрических свойств органических полупроводников.
Полупроводники, как правило, кремний, являются краеугольным камнем современной электроники, потому что инженеры могут использовать свои уникальные свойства для управления током, а во многих применениях полупроводниковые приборы используются для вычисления, обработки сигналов и переключения. Они также используются в энергосберегающих устройствах , Такие как светоизлучающие диоды и устройства преобразования энергии, такие как солнечные элементы.
Допинг является наиболее существенным характером этих функций и относится к химическому составу полупроводников, которые корректируются путем добавления небольших количеств других химических веществ или примесей. Выбирая тип и количество легирующей примеси, исследователи относительно свободно регулируют электроны полупроводника Полосовая структура и электрические свойства.
В своей статье исследователи описали новый способ значительно повысить проводимость органических полупроводников, выполненных из молекул углерода, а не атомов кремния, который представляет собой рутениесодержащее соединение, используемое в качестве восстановителя , Другими словами, введение дополнительных электронов в органические полупроводники в течение части процесса легирования. Эти дополнительные электроны являются ключом к повышению проводимости полупроводников, которые относятся к недавно разработанным димерным металлорганическим легирующим веществам и другим сильным В отличие от восстановителя эти легирующие вещества устойчивы к воздействию воздуха и становятся сильными донорами электронов при взаимодействии с другими полупроводниками в растворителе или пленке.
Сет Мардер и Стивен Барлоу из Georgia Tech доминируют в разработке этой новой легирующей примеси и называют рутениесодержащим соединением «сверхнизкой легирующей примеси». Говорят, что это не редкость сочетать с дарованием Электроны и способность стабильно существовать в воздухе и потому, что они функционируют в классе органических полупроводников, которые ранее трудно поддавались легированию. Исследователи из Принстона обнаружили, что этот новый тип легирующей добавки может улучшить проводимость этих полупроводников сотнями Wan раз.
Это рутениесодержащее соединение представляет собой димер, то есть состоит из двух идентичных молекул или мономеров, связанных химической связью. Просто потому, что соединение относительно стабильно, когда оно добавляется к тем, Допированный полупроводник, он не спонтанно реагирует, а остается в равновесии, что поднимает вопрос о повышении проводимости полупроводников, которые реагируют с полупроводниками, а затем разделяются на две одиночные тело.
Лин Синь сказал, что они искали различные способы отделения димера рутения, чтобы активировать допинг. В конце концов он и Бертольд Вегнер, приглашенный аспирант из группы Норберта Коха в Университете Гумбольдта, узнали о том, как работают фотохимические системы Они облучали систему ультрафиолетовым излучением, потому что УФ-излучение возбуждает молекулы в полупроводнике, а затем направляет начало всей реакции, поэтому димер может поглощать этот твердый легированный полупроводник под освещением и производить 100 000 или даже больше В миллион раз улучшение проводимости.
Затем исследователи провели интересные наблюдения.
«Как только вы прекратите освещать, можно просто подумать, что обратная реакция будет иметь место, что приведет к потере усиленной проводимости, - сказал Мардер, - но это неправда».
Исследователи обнаружили, что мономер рутения может оставаться изолированным в полупроводнике таким образом, что повышенная проводимость не исчезает, хотя термодинамические принципы позволяют молекулам вернуться к своей исходной димерной структуре.
Антуан Кан, Стивен К. Макалер, инженерный и прикладной научный руководитель, возглавлял всю исследовательскую группу и сказал, что позиционное распределение молекул в легированном полупроводнике дает возможный ответ на загадку. Они предполагают, что мономер в полупроводнике Рассеяны в пределах распределения, что затрудняет возврат к исходной компоновке, а затем повторное димерирование. Он сказал, что, поскольку реорганизация требует, чтобы мономер имел правильную ориентацию, но в этой гибридной системе мономер всегда искажен. Поэтому, Несмотря на то, что термодинамика позволяет реорганизовать мономер, это происходит не очень быстро на большинстве клеток.
«Вопрос в том, почему эти мономеры не реорганизуются в равновесие», - сказал Кан. «Ответ заключается в том, что они термодинамически ограничены».
Фактически, исследователи наблюдали эти легированные полупроводники более года и обнаружили лишь небольшое снижение проводимости, и в то же время на светодиодах, изготовленных из этих материалов, они обнаружили, что легирование было выбрано устройством Свет продолжает активироваться. Эти устройства были изготовлены в сотрудничестве с Барри Рандом, доцентом в Отделе электротехники Принстона и в Центре энергетики и окружающей среды Англингера.
«С каждым шагом системы свет производит больше света для дальнейшей активации, пока он не будет полностью активирован», - сказал Мадер, главный профессор энергетической эффективности Georgia Power и профессор химии в Университете. Это очень новый и удивительный вывод ».
Другие авторы включают в себя выпускников университета в Принстоне Кюнг Мин Ли, Майкла А. Фузеллы и Чжан Фэню, а также Картикай Мудгил из Georgia Tech.
Национальный научный фонд и министерство энергетики США предоставили частичную поддержку исследования.
Профиль группы Princeton Antoine Kahn: сосредоточив внимание на электронных, химических, структурных и электрических свойствах материалов в тонкопленочных электронных устройствах, исследовательские интересы включают широкий спектр полупроводниковых материалов (как простых, так и составных) и в настоящее время ориентированы на органическую и молекулярную электронику Малые молекулы и полимерные полупроводники, металлы и оксиды металлов и диэлектрики, и особенно заинтересованы в обработке материалов и интерфейсов с целью улучшения OLED, полевых транзисторов, органических фотоэлектрических приборов и других тонкопленочных устройств для крупногабаритной гибкой электроники Почти бесконечные возможности для химического синтеза новых молекулярных соединений в сочетании с беспрецедентной простотой осаждения пленки на различных подложках путем вакуумного испарения, процессов растворения или печати делают органические полупроводники ключевым преимуществом по сравнению с другими полупроводниковыми материалами и В структуре устройства существует множество возможностей для инноваций.
http://www.ee.princeton.edu/research/kahn/
Допинг и связанные с ним направления Недавно опубликованные (частично)
Избиение термодинамического предела с фотоактивацией n-легирования в органических полупроводниках, Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Кох и Антуан Кан. Mater. DOI: 10.1038 / NMAT5027 (2017)
Исследование высокоэлектронной аффинности молекулярной легирующей добавки F6-TCNNQ для переносных материалов, Fengyu Zhang и Antoine Kahn. Adv. Функцион. Mater. 1703780 (2017)
Сопряжение ультрафиолетовых солнечных элементов с электрохромными окнами для умного управления солнечным спектром, Николас К. Дэви, Мелда Сезен, Цзя Гао, Синь Линь, Эми Лю, Антуан Кан и Юэ-Линь Луо, Nature Energy, 2, 17104 (2017)
Морфологическая настройка энергии в органических органических солнечных элементах деления, Юньхуй Л. Лин, Майкл А. Фузелла, Олег В. Козлов, Синь Линь, Антуан Кан, Максим С. Пшеничников и Барри П. Ранд, Adv.Func. Матем., 26, 6489 (2016)
Влияние низкой концентрации допанта на распределение состояний зазора в молекулярном полупроводнике, Xin Lin, Geoffrey E.Purdum, Swagat K. Mohapatra, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Yueh-Lin Loo andAntoine Kahn, Chem. Мат. 28, 2677 (2016)
Экспериментальная характеристика интерференций по отношению к органической электронике, Габриэлю, Джеймсу Эндсу, Синь Лину и Антону Кана, в WSPC Reference по органической электронике, Жан-Люк Бредас и Сет Р. Мардер, ред., World Scientific, гл. 6, p. 159-191