A fény lehetővé teszi a szerves félvezetők "lehetetlen" n-doppingolását - Helmholtz-Zentrum Berlin
Alkalmazások fénykibocsátó diódákban vagy napelemekben
A negatív töltésű szerves félvezetők doppingolása különösen nehéz. Most egy német-amerikai kutatócsoport egy trükkhöz folyamodott: Első lépésben az érzékeny töltésadó molekulákat (n-adalékokat) párosítva összekapcsolva sokkal stabilabb dimereket képeztek. Ezek a dimerek beépíthetők szerves félvezetőkbe, de nem járultak hozzá a vezetőképességhez. Ez rövid fény hatására megváltozott. A csoport kimutatta, hogy a fény egy többlépcsős folyamat során lebontja a dimereket n-adalék molekulákká. Ez százszázszorosára növelte a szerves félvezető vezetőképességét. Az eredményeket most közzétettük a Nature Materials-ban.
A félvezető alkatrészeket mindenhol használják, nemcsak mikrochipekben, hanem a fényt elektromos energiává alakító napelemekben is, és sok más mindennapi alkalmazásban. Az elmúlt években a szerves félvezető anyagokat is egyre inkább kutatták és fejlesztették tovább. Tulajdonságaik kevés idegen atom vagy molekula célzott beépítésén is alapulnak, ami vezetőképességüket pontosan beállíthatóvá teszi.
Érdekes alkalmazásokhoz azonban mind az úgynevezett p-adalékolt, mind az n-adalékolt félvezető rétegekre van szükség, amelyeket egymással kombinálva alkotják a megfelelő komponenseket. A szerves félvezetőkben azonban rendkívül nehéz elérni az n-típusú doppingolást. Mivel ehhez szerves molekulák egy bizonyos osztályának beépítése szükséges, amelyek környezeti körülmények között (oxigén, nedvesség) nagyon gyorsan lebomlanak.
Két lépés a sikerhez
A Nature Materials nemrégiben megjelent cikkében egy német-amerikai csapat új megközelítést kipróbált a szerves félvezetők n-molekulákkal történő doppingolásában. A munkába a Princetoni Egyetem, a Georgiai Műszaki Intézet, a berlini Humboldt Egyetem és a berlini Helmholtz Központ csoportjai vettek részt.
Az új megközelítés két lépésből áll. Az első lépésben a szerves fémmolekulákat, az n-adalékanyagokat egyesítve úgynevezett dimer képződik. A kiindulási molekulákkal ellentétben ez a kapcsolt molekula viszonylag stabil és pusztulás nélkül bejuttatható a szerves félvezetőbe; azonban nem alkalmas n-adalékanyagként, és nem szabadít fel negatív töltéseket.
A forradalmi második lépés a keverék megvilágítása volt. Többlépcsős folyamat során a beeső fotonok újra lebontják a dimereket az aktív kiindulási molekulákká, amelyek aztán teljes mértékben kifejleszthetik hatásukat n-adalékanyagként.
Fokozott vezetőképesség és élettartam
„Az adalékanyagok fénnyel történő aktiválásával öt nagyságrenddel megnövelhettük a szerves félvezetők vezetőképességét! Ez jelentősen növelheti a szerves fénykibocsátó diódák és a napelemek hatékonyságát ”- mondja Prof. Antoine Kahn a Princetoni Egyetemről, aki a projekt koordinátorát.
„Ez a kutatás lehetővé teszi az n-adalékolt szerves félvezető anyagok sokkal egyszerűbb előállítását a legkülönbözőbb alkalmazásokhoz. A kritikus lépés - nevezetesen a dimer molekulák fénnyel való lebontása - a kapszulázást követően is megtörténhet - így az adalékmolekulák védettek maradnak. Ez megnöveli az ilyen alkatrészek élettartamát is ”- magyarázza Prof. Norbert Koch, aki a HU Berlin és a HZB„ Molecular Systems ”közös kutatócsoportját vezeti.
Nature Materials (2017): A termodinamikai határ túllépése az n-dopping fotoaktiválásával szerves félvezetőkben. Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Koch és Antoine Kahn