Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) rapporterar om en unipolär n-typ transistor med en banbrytande elektronmobilitet på upp till 7,16 cm ² V ^-1 s ^-1 . Denna prestation inbjuder till en spännande framtid för organisk elektronik, inklusive utveckling av innovativa flexibla skärmar och bärbar teknik.

Forskare världen över letar efter nya material som kan förbättra prestandan hos grundkomponenter som krävs för att utveckla organisk elektronik.

Nu, en forskargrupp vid Tokyo Techs avdelning för materialvetenskap och teknik inklusive Tsuyoshi Michinobu och Yang Wang rapporterar ett sätt att öka elektronmobiliteten hos halvledande polymerer, som tidigare har visat sig vara svåra att optimera. Deras högpresterande material uppnår en elektronmobilitet på 7,16 cm2 V-1 s-1, motsvarande mer än 40 procents ökning jämfört med tidigare jämförbara resultat.

I sin studie publicerad i Journal of the American Chemical Society , de fokuserade på att förbättra prestandan hos material som kallas n-typ halvledande polymerer. Dessa (negativa) material av n-typ är elektrondominerande, i motsats till p-typ (positiva) material som är håldominerande. "Eftersom negativt laddade radikaler i sig är instabila jämfört med de som är positivt laddade, att producera stabila halvledande polymerer av n-typ har varit en stor utmaning inom organisk elektronik, "Förklarar Michinobu.

Forskningen tar därför upp både en grundläggande utmaning och ett praktiskt behov. Wang noterar att många organiska solceller, till exempel, är tillverkade av halvledande polymerer av p-typ och fullerenderivat av n-typ. Nackdelen är att de senare är dyra, svårt att syntetisera och inkompatibel med flexibla enheter. "För att övervinna dessa nackdelar, " han säger, "högpresterande halvledande polymerer är mycket önskvärda för att främja forskning om allpolymer solceller."

Teamets metod innebar att använda en serie nya poly (bensotiadiazol-naftalenediimid) derivat och finjustera materialets ryggradskonformation. Detta möjliggjordes genom införandet av vinylenbryggor som kan bilda vätebindningar med angränsande fluor- och syreatomer. Att introducera dessa vinylenbryggor krävde en teknisk prestation för att optimera reaktionsförhållandena.

Övergripande, det resulterande materialet hade en förbättrad molekylär förpackningsordning och större hållfasthet, vilket bidrog till den ökade elektronmobiliteten.

Med hjälp av tekniker som betesincidens vidvinklad röntgenspridning (GIWAXS), forskarna bekräftade att de uppnådde ett extremt kort π-π staplingsavstånd på endast 3,40 ångström. "Detta värde är bland de kortaste för högmobil organiska halvledande polymerer, säger Michinobu.

Det finns flera utmaningar kvar. "Vi måste ytterligare optimera ryggradens struktur, "fortsätter han." Samtidigt, sidokedjegrupper spelar också en viktig roll vid bestämning av kristallinitet och packningsorientering för halvledande polymerer. Vi har fortfarande utrymme för förbättringar. "

Wang påpekar att de lägsta obebodda molekylära orbitalnivåerna (LUMO) låg vid -3,8 till -3,9 eV för de rapporterade polymererna. "Eftersom djupare LUMO -nivåer leder till snabbare och mer stabil elektrontransport, ytterligare konstruktioner som introducerar sp2-N, fluor- och kloratomer, till exempel, kan hjälpa till att uppnå ännu djupare LUMO -nivåer, " han säger.

I framtiden, forskarna kommer också att sträva efter att förbättra luftstabiliteten för n-kanaltransistorer-en avgörande fråga för att realisera praktiska tillämpningar som skulle inkludera kompletterande metalloxid-halvledare (CMOS) -liknande logikkretsar, allpolymer solceller, organiska fotodetektorer och organisk termoelektrisk.