Светлината позволява "невъзможното" n-легиране на органични полупроводници - Helmholtz-Zentrum Berlin
Приложения в светодиоди или слънчеви клетки
Легирането на органични полупроводници с отрицателни заряди е особено трудно. Германско-американски изследователски екип сега е прибегнал до трик: В първата стъпка те са сдвоили чувствителните молекули донори на заряд (n-допанти) по двойки, за да образуват димери, които са много по-стабилни. Тези димери могат да бъдат включени в органични полупроводници, но не допринасят за проводимостта. Това се промени след кратко излагане на светлина. Екипът показа, че светлината отново разгражда димерите на отделни n-допантни молекули в многоетапен процес. Това увеличи проводимостта на органичния полупроводник със фактор сто хиляди. Резултатите вече са публикувани в Nature Materials.
Полупроводниковите компоненти се използват навсякъде, не само в микрочипове, но и в слънчеви клетки, които превръщат светлината в електрическа енергия, както и в много други ежедневни приложения. През последните години органичните полупроводникови материали също все повече се изследват и доразвиват. Техните свойства също се основават на целевото включване на малък брой чужди атоми или молекули, което прави тяхната проводимост точно регулируема.
За интересни приложения обаче са необходими както така наречените p-допирани, така и n-допирани полупроводникови слоеве, които се комбинират помежду си, за да образуват съответните компоненти. В органичните полупроводници обаче е изключително трудно да се постигне допинг от n-тип. Тъй като това изисква включването на определен клас органични молекули, които се разлагат много бързо при условия на околната среда (кислород, влага).
Две стъпки към успеха
В скорошна статия в Nature Materials германско-американски екип опита нов подход за легиране на органични полупроводници с n-молекули. В работата бяха включени групи от Технологичния институт в Джорджия, Принстънския университет, Университета Хумболт в Берлин и Центъра Хелмхолц в Берлин.
Новият подход се състои от две стъпки. В първия етап органометалните молекули, n-добавките, се комбинират, за да образуват така наречения димер. За разлика от изходните молекули, тази свързана молекула е относително стабилна и може да бъде въведена в органичния полупроводник, без да бъде разрушена; обаче не е подходящ като n-допант и не освобождава отрицателни заряди.
Революционната втора стъпка беше да хвърли светлина върху сместа. В многостепенен процес падащите фотони разграждат димерите отново до активните изходни молекули, които след това могат напълно да развият ефекта си като n-добавки.
Повишена проводимост и експлоатационен живот
„Чрез активирането на легиращите добавки със светлина успяхме да увеличим проводимостта на органичните полупроводници с пет порядъка! Това може значително да увеличи ефективността на органичните светодиоди и слънчеви клетки ”, казва проф. Антоан Кан от университета в Принстън, който координира проекта.
„Това изследване позволява много по-просто производство на n-легирани органични полупроводникови материали за голямо разнообразие от приложения. Критичната стъпка - а именно разграждането на димерните молекули със светлина - може да се осъществи и след капсулирането - така че допинг молекулите да останат защитени. Това също ще увеличи експлоатационния живот на такива компоненти “, обяснява проф. Норберт Кох, който ръководи съвместната изследователска група„ Молекулярни системи “в HU Берлин и HZB.
Nature Materials (2017): Преодоляване на термодинамичната граница с фотоактивация на n-допинг в органични полупроводници. Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Koch & Antoine Kahn