Organiska halvledare av dålig kvalitet kan bli högkvalitativa halvledare när de tillverkas på rätt sätt. Forskare vid Linköpings universitet visar i en artikel i Nature Materials att laddningarnas rörelser i organiska elektroniska apparater bromsas dramatiskt av små mängder vatten.

Upptäckten att organiska material, såsom polymerer, kan fungera som halvledare ledde till ett Nobelpris i kemi år 2000. Sedan dess, forskningen inom organisk elektronik har verkligen exploderat, inte minst vid Linköpings universitet, som är hem för världsledande forskning inom området.

Organiska halvledare, dock, leder inte ström så effektivt som, till exempel, halvledare av kisel eller andra oorganiska material. Forskarna har upptäckt att en av orsakerna till detta är bildandet av fällor i de organiska materialen där laddningsbärarna fastnar. Flera forskargrupper runt om i världen har arbetat hårt för att förstå inte bara var fällorna finns, men också hur de kan elimineras.

"Det finns fällor i alla organiska halvledare, men de är förmodligen ett större problem i n-typ material, eftersom dessa i allmänhet är sämre halvledare än material av p-typ", säger Martijn Kemerink, professor i tillämpad fysik vid avdelningen för komplexa material och anordningar vid Linköpings universitet.

Material av p-typ har en positiv laddning och laddningsbärarna består av hål, medan material av n-typ har laddningsbärare i form av elektroner, vilket ger materialet en negativ laddning.

Martijn Kemerink och hans kollegor vid Linköpings universitet har kommit fram till att vatten är skurken i stycket. Specifikt, vattnet tros sitta i nanometerstora porer i det organiska materialet och absorberas från omgivningen.

"I ett material av p-typ är dipolerna i vattnet i linje med sina negativa ändar mot hålen, vilken är positivt laddad, och energin i hela systemet sänks. Man kan säga att dipolerna bäddar in laddningsbärarna så att de inte kan gå någonstans längre", säger Martijn Kemerink.

För material av n-typ, vattnet vänder sig åt andra hållet, men effekten är densamma, laddningen är instängd.

Experiment har utförts där materialet värms upp, för att torka ut det och få vattnet att försvinna. Det fungerar bra ett tag, men materialet återabsorberar sedan vatten från den omgivande luften, och mycket av fördelen med torkning försvinner.

"Ju mer vatten, ju fler fällor. Vi har också visat att ju torrare filmerna kan tillverkas, desto bättre ledare är de. Det teoretiska arbetet av Mathieu Linares bekräftade kvantitativt våra idéer om vad som pågick, det som var mycket tillfredsställande. Vår artikel i Nature Materials visar inte bara hur man får ut vattnet, men också hur man ser till att vattnet håller sig ute, för att producera ett organiskt material med stabil ledningsförmåga."

För att förhindra återupptag av vatten i materialet när det har torkats, forskarna har också utvecklat ett sätt att ta bort de tomrum som vattenmolekyler annars skulle ha trängt in i. Denna metod är baserad på en kombination av uppvärmning av materialet i närvaro av ett lämpligt organiskt lösningsmedel.

"Material som tidigare ansågs vara extremt dåliga halvledare kan istället bli bra halvledare, så länge de tillverkas i torr atmosfär. Vi har visat att torrpreparerade material tenderar att förbli torra, medan material som tillverkas i närvaro av vatten kan torkas. De senare är, dock, extremt känslig för vatten. Detta gäller de material vi har testat, men det finns inget som tyder på att andra organiska halvledande material beter sig annorlunda", säger Martijn Kemerink.