Halvledare – och vår behärskning av dem – har gjort det möjligt för oss att utveckla den teknik som ligger till grund för vårt moderna samhälle. Dessa enheter är ansvariga för ett brett utbud av elektronik, inklusive kretskort, datorchips och sensorer.

Den elektriska ledningsförmågan hos halvledare faller mellan den hos isolatorer, som gummi, och konduktörer, som koppar. Genom att dopa materialen med olika föroreningar, forskare kan kontrollera en halvledares elektriska egenskaper. Det är detta som gör dem så användbara inom elektronik.

Forskare och ingenjörer har utforskat nya typer av halvledare med attraktiva egenskaper som kan resultera i revolutionerande innovationer. En klass av dessa nya material är organiska halvledare (OSC), som är baserade på kol snarare än kisel. OSC:er är lättare och mer flexibla än sina konventionella motsvarigheter, egenskaper som lämpar sig för alla möjliga möjliga tillämpningar, som flexibel elektronik, till exempel.

Under 2014, UC Santa Barbaras professor Thuc-Quyen Nguyen och hennes labb rapporterade först om dopning av OSC:er med Lewis-syror för att öka konduktansen hos vissa halvledande polymerer; dock, ingen visste varför denna ökning skett förrän nu.

Genom ett samarbete, Nguyen och hennes collage har analyserat denna mekanism, och deras oväntade upptäckt lovar att ge oss större kontroll över dessa material. Arbetet fick stöd av Department of Energy och resultaten visas i tidskriften Naturmaterial .

Forskare vid UC Santa Barbara samarbetade med ett internationellt team från University of Kentucky, Humboldt University of Berlin och Donghua University i Shanghai. "Dopningsmekanismen som använder Lewis-syror är unik och komplex; därför, det kräver en laginsats, " förklarade Nguyen.

"Det är vad denna tidning handlar om, " sa huvudförfattaren Brett Yurash, en doktorand i Nguyens labb, "att ta reda på varför tillsats av denna kemikalie till den organiska halvledaren ökar dess ledningsförmåga."

"Folk trodde att det bara var Lewis-syran som verkade på den organiska halvledaren, " förklarade han. "Men det visar sig att du inte får den effekten om inte vatten är närvarande."

Tydligen, vatten förmedlar en viktig del av denna process. Lewis-syran tar tag i en väteatom från vattnet och för över den till OSC. Den extra positiva laddningen gör OSC-molekylen instabil, så en elektron från en angränsande molekyl migrerar över för att ta bort laddningen. Detta lämnar ett positivt laddat "hål" som sedan bidrar till materialets konduktivitet.

"Det faktum att vatten spelade någon roll alls var verkligen oväntat, " sa Yurash, tidningens huvudförfattare.

De flesta av dessa reaktioner utförs i kontrollerade miljöer. Till exempel, experimenten vid UC Santa Barbara utfördes i torra förhållanden under en kväveatmosfär. Det var inte meningen att det skulle vara någon fuktighet i kammaren alls. Dock, uppenbarligen hade en del fukt kommit in i lådan med de andra materialen. "Bara en liten mängd vatten är allt som krävdes för att ha denna dopningseffekt, " sa Yurash.

Forskare, ingenjörer och tekniker måste kunna kontrollerbart dopa en halvledare för att det ska vara praktiskt. "Vi har bemästrat kisel helt, " sa han. "Vi kan dopa det exakt hur mycket vi vill och det är väldigt stabilt." att kontrollera OSC:er har varit en stor utmaning.

Lewis-syror är faktiskt ganska stabila dopämnen, och teamets resultat gäller ganska brett, bortom bara de få OSC:er och syror de testade. Det mesta av OSC-dopningsarbetet har använt molekylära dopningsmedel som inte löser sig lätt i många lösningsmedel "Lewis-syror, å andra sidan, är lösliga i vanliga organiska lösningsmedel, billig, och finns i olika strukturer, " förklarade Nguyen.

Att förstå mekanismen i arbetet bör göra det möjligt för forskare att målmedvetet designa ännu bättre dopningsmedel. "Det här kommer förhoppningsvis att bli språngbrädan från vilken fler idéer lanseras, " sa Yurash. Till slut, teamet hoppas att dessa insikter hjälper till att driva organiska halvledare mot ett bredare kommersiellt förverkligande.