Odkrycie dokonane przez badaczy z Uniwersytetu w Princeton, Georgia Institute of Technology i Uniwersytetu Humboldtów w Berlinie wskazuje na możliwość bardziej powszechnego wykorzystania zaawansowanej technologii nazywanej „elektroniką organiczną”. W pracy opublikowanej w periodyku Nature Materials naukowcy skupili się na organicznych półprzewodnikach. Jest to klasa materiałów obiecujących pod względem możliwości zastosowania w takich rozwijających się obszarach, jak elastyczne układy elektroniczne, pozyskiwanie energii słonecznej i wysokiej jakości kolorowe wyświetlacze dla smartfonów i telewizorów.
W bliskiej perspektywie nowe osiągnięcie może być pomocne w rozwoju organicznych diod LED pracujących z falami o wysokiej energii, np. w zakresie światła zielonego i niebieskiego.
„Organiczne półprzewodniki są idealnym materiałem do produkcji elastycznych urządzeń w niskiej temperaturze za pomocą energooszczędnych procesów.” – skomentował Xil Lin, doktorant i członek zespołu badawczego Princeton. „Jedną z ich głównych wad była względnie niska przewodność elektryczna. W niektórych zastosowaniach stanowiło to poważną przeszkodę – urządzenia nie były wystarczająco efektywne. Obecnie pracujemy nad poprawą właściwości elektrycznych półprzewodników organicznych.”
Półprzewodniki, najczęściej oparte na krzemie, są podstawą współczesnej elektroniki. Ich unikalne właściwości pozwalają inżynierom na sterowanie przepływem prądu. Wśród wielu zastosowań półprzewodników najważniejsze są oczywiście układy obliczeniowe, wzmacniacze i przełączniki. Natomiast wykorzystanie półprzewodników w diodach LED powoduje znaczną oszczędność energii. Półprzewodniki służą również do konwersji energii na inną postać, na przykład w ogniwach słonecznych.
Aby umożliwić realizację tak różnorodnych zastosowań, konieczne jest stosowanie procesu zwanego domieszkowaniem. Dzięki niemu skład chemiczny półprzewodnika zostaje zmieniony na skutek dodania małej ilości substancji chemicznych lub zaburzeń. Starannie dobierając rodzaj i ilość domieszki, naukowcy są w stanie zmienić zachowanie elektryczne półprzewodników oraz tworzyć struktury elektroniczne.
W artykule Nature Materials badacze opisali nowe podejście pozwalające znacznie zwiększyć przewodność organicznych półprzewodników utworzonych z molekuł węglowych zamiast z atomów krzemu. Domieszką był w tym przypadku związek rutenu działający jako reduktor, co oznacza, że na skutek domieszkowania dodawał on do organicznego półprzewodnika elektrony swobodne. Dodanie elektronów było konieczne, aby zwiększyć przewodność półprzewodnika. Otrzymany związek należy do nowej klasy substancji domieszkowanych – dimerów organiczno-metalicznych. W odróżnieniu od innych silnych reduktorów, te substancje domieszkowane pozostają stabilne w obecności powietrza, jednak mimo to zachowują się jak silne donory elektronów zarówno w postaci roztworu, jak i ciała stałego.
Seth Marder z Georgia Institute of Technology, profesor Wydziału Chemii i Biochemii oraz Stephen Barlow, tamtejszy badacz, kierowali pracami nad nową domieszką. Nazwali związek rutenu „domieszką hiper-redukującą”. Ich zdaniem jest ona niezwykła, nie tylko jako silny donor i z powodu stabilności w obecności powietrza. Domieszka ta zapewnia też możliwość współdziałania z klasą organicznych półprzewodników do tej pory uznawanych za trudne do domieszkowania. Badanie przeprowadzone na uniwersytecie Princeton wykazały, ze nowa domieszka zwiększyła przewodność tych półprzewodników około milion razy.
Związek rutenu jest dimerem, co oznacza, że składa się z dwóch identycznych molekuł (monomerów) połączonych wiązaniem chemicznym. Związek ten jest względnie stabilny i po dodaniu do wspomnianych półprzewodników niechętnie przyjmujących domieszki nie wszedł w reakcje i pozostał w stanie równowagi. To stanowiło problem, ponieważ aby zapewnić wzrost przewodności organicznego półprzewodnika, dimer musiał się podzielić i uwolnić dwa identyczne monomery.
Lin z Uniwersytetu Princeton, główny autor pracy, opowiadał o poszukiwaniach różnych sposobów rozdzielenia dimera rutenu i umożliwienie domieszkowania. Ostatecznie wraz z Bertholdem Wegnerem, studentem Norberta Kocka z Uniwersytetu Humboldta, zaczerpnęli rozwiązanie z procesów opartych na fotosyntezie. Napromieniowali oni system światłem ultrafioletowym, które pobudziło molekuły półprzewodnika i zainicjowało reakcję. Pod wpływem światła dimery były w stanie domieszkować półprzewodnik i doprowadzić do wzrostu przewodności około 100.000 razy.
„Po wyłączeniu światła mogliśmy spodziewać się odwrotnej reakcji i utraty zwiększonej przewodności.” – wyjawił Marder, który jest również dyrektorem Centrum Organicznej Fotoniki i Elektroniki (COPE) Georgia Institute of Technology. „Jednak tym razem tak się nie stało”. Badacze stwierdzili, że monomery rutenu pozostały rozmieszczone samotnie w objętości półprzewodnika, zwiększając jego przewodność. Zgodnie z zasadami termodynamiki molekuły powinny wrócić do pierwotnej postaci dimerów.
Antoine Kahn, profesor Uniwersytetu w Princeton, który kierował zespołem badawczym, wyjaśnił, że wyjaśnienie tej zagadki tkwi w fizycznym rozmieszczeniu molekuł w domieszkowanym półprzewodniku. Postawił hipotezę, że monomery są rozmieszczone w półprzewodniku w taki sposób, że bardzo trudno byłoby im powrócić do oryginalnej konfiguracji i utworzyć dimery rutenu. Aby się na powrót połączyć, monomery musiałyby być zorientowane w odpowiednim kierunku, natomiast w tej mieszaninie były obrócone. Zatem pomimo iż zasady termodynamiki mówią, że monomery powinny powrócić do postaci dimerów, większość z nich nigdy nie zdołała się połączyć.
„Pytanie brzmi, dlaczego te cząstki nie wracają do stanu równowagi.” – skomentował Kahn, profesor inżynierii i nauk stosowanych. „”Odpowiedź jest prosta: są uwięzione przez siły kinetyczne.”
Badacze obserwowali domieszkowany półprzewodnik przez ponad rok i stwierdzili bardzo niewielki spadek przewodności elektrycznej. Ponadto obserwując materiał w diodach LED stworzonych przez zespół Barry’ego Randa, profesora inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie w Princeton i Andlinger Center for Energy and the Environment, naukowcy doszli odkryli, że domieszkowanie było stale ponawiane na skutek światła wytwarzanego przez tą diodę.
„Światło zwiększa wydajność systemu, co prowadzi do wzmocnienia wytwarzania światła i dalszego wzrostu wydajności, aż system osiągnie pełną moc.” – wyjaśnił Marder który w Georgia Institute of Technology zajmuje się zagadnieniem sprawności energetycznej. „To samo w sobie jest niezwykłe i stanowi zaskakującą obserwację.”
