Исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция, обнаружили новую простую настройку, которая может удвоить эффективность органической электроники. OLED-дисплеи, солнечные элементы на основе пластика и биоэлектроника — это лишь некоторые из технологий, которые могли бы извлечь выгоду из их нового открытия, которое касается «двойных легированных» полимеров.

Большая часть электроники основана на неорганических полупроводниках, таких как кремний. Решающее значение для их функции имеет процесс, называемый легированием, который включает в себя добавление примесей в полупроводник для повышения его электропроводности. Это позволяет различным компонентам в солнечных элементах и светодиодных экранах работать.

Для органических, то есть углеродных полупроводников, этот процесс легирования также очень важен. С момента открытия электропроводящих пластиков и полимеров, за которые в 2000 году была присуждена Нобелевская премия, исследования и разработки в области органической электроники быстро ускорились. OLED-дисплеи являются одним из примеров уже на рынке, например, в смартфонах последнего поколения. Другие применения еще не полностью реализованы, отчасти из-за того, что органические полупроводники еще недостаточно эффективны.

Легирование в органических полупроводниках происходит посредством так называемой окислительно-восстановительной реакции. Это означает, что молекула легирующей примеси получает электрон от полупроводника, увеличивая электропроводность полупроводника. Чем больше молекул легирующей примеси, с которыми может взаимодействовать полупроводник, тем выше проводимость — по крайней мере, до определенного предела, после которого проводимость уменьшается. В настоящее время предел эффективности легированных органических полупроводников определяется тем, что молекулы допанта могут обмениваться только одним электроном каждый.

Но теперь, в статье в научном журнале Nature Materials группа Кристиана Мюллера, профессора науки о полимерах в Чалмерском технологическом университете, вместе с коллегами из семи других университетов демонстрирует, что можно переместить два электрона на каждую молекулу легирующей примеси.

По словам Кристиана Мюллера, это новшество не основано на каком-то большом техническом достижении. Вместо этого это просто случай увидеть то, что другие не видели. «Вся область исследований была полностью сфокусирована на изучении материалов, которые допускают только одну окислительно-восстановительную реакцию на молекулу. Мы решили посмотреть на другой тип полимера с более низкой энергией ионизации. Мы увидели, что этот материал позволил перенести два электрона в легирующую примесь». молекула. ​​Это на самом деле очень просто «, говорит Мюллер, профессор науки о полимерах в Технологическом университете Чалмерса.

Открытие может позволить дальнейшее усовершенствование технологий, которые сегодня недостаточно конкурентоспособны, чтобы выйти на рынок. Одна из проблем заключается в том, что полимеры просто не проводят ток достаточно хорошо, поэтому повышение эффективности методов легирования долгое время являлось фокусом для достижения лучшей электроники на основе полимеров. Теперь это удвоение проводимости полимеров с использованием только того же количества легирующего материала на той же площади поверхности, что и раньше, могло бы стать переломным моментом, необходимым для коммерциализации нескольких новых технологий.

«С OLED-дисплеями разработка зашла настолько далеко, что они уже есть на рынке. Но для успеха других технологий и выхода на рынок требуется нечто большее. Например, с органическими солнечными элементами или электронными схемами, построенными из органических материал, нам нужна способность легировать определенные компоненты в той же степени, что и электроника на основе кремния. Наш подход — это шаг в правильном направлении », — говорит Мюллер.

Это открытие дает фундаментальные знания и может помочь тысячам исследователей достичь успехов в области гибкой электроники, биоэлектроники и термоэлектричества. Исследовательская группа Кристиана Мюллера исследует несколько прикладных областей, основанных на технологии полимеров. Помимо всего прочего, его группа занимается разработкой электропроводящих тканей и органических солнечных элементов.