NUS -forskare har rapporterat i Natur upptäckten av latenta universella elektrondonatorer från vanliga anjoner, som oxalat, som kraftfullt kan överföra elektroner till organiska halvledare, förverkliga drömmen att uppnå elektroninjektionsskikt med ultralåga arbetsfunktioner som ännu kan bearbetas från lösning i omgivningen. Detta förväntas öppna många nya möjligheter, inte bara för organisk elektronik, men även andra avancerade halvledare, inklusive kvantprickar, nanotrådar, tvådimensionella (2-D) material, och perovskiter.

Arbetsfunktionen för ett material är den minimimängd energi som krävs för att avlägsna den minst tätt bundna elektronen till vakuum. Detta bestämmer materialets förmåga att injicera elektroner i en halvledare. Elektroninjektionsskikt kräver en tillräckligt låg arbetsfunktion, helst mycket mindre än 4 elektron-volt, att effektivt injicera i (och samla) elektroner från många nya halvledare. Detta kräver emellertid vanligtvis förångning av tunna filmer av reaktiva metaller under vakuumförhållanden, vilket begränsar enhetsarkitekturen, bearbetbarhet, och tillverkningsförmåga. Ultralåga arbetsfunktionsmaterial försämras av exponering för luft.

Nu, kemiteamet ledd av prof Lay-Lay CHUA, och fysikteam ledda av Dr. Rui-Qi PNG och prof Peter HO, från Organic Nano Device Laboratory, NUS har visat att multivalenta anjoner, såsom oxalat, karbonat och sulfit, kan fungera som kraftfulla latenta elektrondonatorer, när de är dispergerade som små jonkluster i en polymermatris av lämpliga konjugerade polyelektrolyter. Konjugerade polyelektrolyter är polymerer med joniska sidogrupper och delokaliserade elektroner i ryggraden. Avgörande, blandningen kan bearbetas från lösning i luft, och anjonen överför spontant elektroner till polymervärden först efter torkning, och därigenom skydda materialet allvarligt från atmosfärisk nedbrytning. Med lämplig polyelektrolytvärd, arbetsfunktioner så låga som 2,4 elektron-volt har uppnåtts, övervinna den långvariga gåtan för att gifta sig med ultralåga arbetsfunktionsmaterial med lösningsbearbetning. Forskargruppen har visat mångsidigheten i denna upptäckt genom att göra en mängd högpresterande vitljusemitterande dioder och organiska solceller med hjälp av lösningsbehandlade elektroninjektionsskikt.

"Till skillnad från föregångare dopanter, dessa anjoner kräver inte kemisk transformation för att bli aktiva, "Dr Png förklarade." De fungerar eftersom avstötningen mellan elektroner i dessa anjoner gör att deras elektrondonatornivå förblir hög, även i fast tillstånd, när de blir uttorkade. Tillsammans med noggrann design av polyelektrolytvärden, vi kan uppnå ultralåga arbetsfunktionsmaterial som man tidigare inte trodde var möjligt. "

Prof Chua sa:"Detta arbete sträcker sig, och utnyttjar, den självkompenserade laddningsdopade polymerplattformen som vi var banbrytande för tre år sedan. "Hon tillade, "Det var en härlig överraskning av naturen att sådana enkla anjoner kan utnyttjas för att åstadkomma det som har varit den heliga gralen för detta fält under de senaste två decennierna."

Teamen arbetar för närvarande med industrin och akademiska partner för att utvidga tillvägagångssättet till andra typer av enheter, och att etablera tekniken.