En upptäckt av ett internationellt team av forskare från Princeton University, Georgia Institute of Technology och Humboldt University i Berlin visar vägen till en mer utbredd användning av en avancerad teknik allmänt känd som organisk elektronik.

Forskningen, publicerad 13 november i tidningen Naturmaterial , fokuserar på organiska halvledare, en materialklass som är uppskattad för sina tillämpningar inom framväxande teknik som flexibel elektronik, omvandling av solenergi, och högkvalitativa färgskärmar för smartphones och TV-apparater. På kort sikt, förskottet bör särskilt hjälpa till med organiska ljusemitterande dioder som arbetar med hög energi för att avge färger som grönt och blått.

"Organiska halvledare är idealiska material för tillverkning av mekaniskt flexibla enheter med energibesparande lågtemperaturprocesser, "sa Xin Lin, en doktorand och medlem i Princeton -forskargruppen. "En av deras största nackdelar har varit deras relativt dåliga elektriska konduktivitet, vilket leder till ineffektiva enheter med kortare livslängd än vad som krävs för kommersiella applikationer. Vi arbetar med att förbättra de elektriska egenskaperna hos organiska halvledare för att göra dem tillgängliga för fler applikationer. "

Halvledare, vanligtvis gjord av kisel, är grunden för modern elektronik eftersom ingenjörer kan dra nytta av sina unika egenskaper för att styra elektriska strömmar. Bland många applikationer, halvledarenheter används för beräkning, signalförstärkning och omkoppling. De används i energibesparande enheter som ljusdioder och enheter som omvandlar energi som solceller.

Avgörande för dessa funktioner är en process som kallas dopning, där halvledarens kemiska sammansättning modifieras genom att tillsätta en liten mängd kemikalier eller föroreningar. Genom att noga välja typ och mängd dopmedel, forskare kan ändra halvledares elektroniska struktur och elektriska beteende på olika sätt.

I deras senaste artikel om naturmaterial, forskarna beskriver en ny metod för att kraftigt öka konduktiviteten hos organiska halvledare, som bildas av kolbaserade molekyler snarare än kiselatomer. Dopmedlet, en ruteniumhaltig förening, är ett reduktionsmedel, vilket innebär att det lägger till elektroner till den organiska halvledaren som en del av dopningsprocessen. Tillägget av elektronerna är nyckeln till att öka halvledarens konduktivitet. Föreningen tillhör en nyintroducerad klass av dopningsmedel som kallas dimeriska organometalliska dopmedel. Till skillnad från många andra kraftfulla reduktionsmedel, dessa dopmedel är stabila när de utsätts för luft men fungerar fortfarande som starka elektrondonatorer både i lösning och i fast tillstånd.

Seth Marder och Steve Barlow från Georgia Tech, som ledde utvecklingen av det nya dopmedlet, kallade ruteniumföreningen ett "hyperreducerande dopmedel". De sa att det är ovanligt, inte bara dess kombination av elektrondonationsstyrka och luftstabilitet, men i sin förmåga att arbeta med en klass av organiska halvledare som tidigare har varit mycket svåra att dopa. I studier som genomförts på Princeton, forskarna fann att det nya dopningsmedlet ökade konduktiviteten hos dessa halvledare ungefär en miljon gånger.

Ruteniumföreningen är en dimer, vilket betyder att den består av två identiska molekyler, eller monomerer, ansluten med en kemisk bindning. I befintligt skick, föreningen är relativt stabil och, när de läggs till i dessa svåråtkomliga halvledare, den reagerar inte och förblir i sitt jämviktstillstånd. Det utgjorde ett problem för att öka konduktiviteten hos den organiska halvledaren, ruteniumdimeren behöver dela upp och släppa ut sina två identiska monomerer.

Lin, Princeton -doktoranden som var huvudförfattare till artikeln Nature Materials, sa att forskarna letade efter olika sätt att bryta upp ruteniumdimern och aktivera dopningen. Så småningom, han och Berthold Wegner, en besökande doktorand från gruppen Norbert Koch vid Humboldt University, träffas vid tillsats av energi genom att bestråla med ultraviolett ljus, som effektivt exciterade molekyler i halvledaren och initierade reaktionen. Under exponering för ljuset, dimererna delas upp i monomerer, och konduktiviteten steg.

Efter det, forskarna gjorde en intressant observation.

"När ljuset är släckt, man kan naivt förvänta sig att omvänd reaktion inträffar "och den ökade konduktiviteten försvinner, Sa Marder i ett mejl. "Dock, så är inte fallet. "

Forskarna fann att ruteniummonomererna förblev isolerade i halvledaren - ökande konduktivitet - även om termodynamik skulle återföra molekylerna till sin ursprungliga konfiguration som dimerer. Antoine Kahn, en Princeton -professor som leder forskargruppen, sa att den fysiska utformningen av molekylerna inuti den dopade halvledaren ger ett troligt svar på detta pussel. Hypotesen är att monomererna är utspridda i halvledaren på ett sådant sätt att det är mycket svårt för dem att återgå till sin ursprungliga konfiguration och återforma ruteniumdimeren. Att reformera, han sa, monomererna måste vända i rätt riktning, men i blandningen förblir de snedställda. Så, även om termodynamik visar att dimerer bör reformeras, de flesta slår aldrig ihop igen.

"Frågan är varför dessa saker inte går tillbaka till jämvikt, "sa Kahn, Stephen C. Macaleer '63 professor i teknik och tillämpad vetenskap. "Svaret är att de är kinetiskt instängda."

Faktiskt, forskarna observerade den dopade halvledaren i över ett år och fann mycket liten minskning av den elektriska konduktiviteten. Också, genom att observera materialet i ljusemitterande dioder tillverkade av gruppen Barry Rand, en biträdande professor i elektroteknik vid Princeton och Andlinger Center for Energy and the Environment, forskarna upptäckte att dopning kontinuerligt återaktiverades av ljuset som produceras av enheten.

Ljuset aktiverar systemet mer, vilket leder till mer ljusproduktion och mer aktivering tills systemet är helt aktiverat, Sa Marder. "Bara detta är en ny och överraskande observation."