Kaliforniens Silicon Valley och Utahs Silicon Slopes är uppkallade efter det element som mest förknippas med halvledare, ryggraden i datorrevolutionen. Allt datoriserat eller elektroniskt beror på halvledare, ett ämne med egenskaper som leder elektrisk ström under vissa förhållanden. Traditionella halvledare är gjorda av oorganiska material – som kisel – som kräver enorma mängder vatten och energi för att producera.
I åratal har forskare försökt göra miljövänliga alternativ med hjälp av organiska material, såsom polymerer. Polymerer bildas genom att sammanlänka små molekyler för att göra långa kedjor. Polymerisationsprocessen undviker många av de energikrävande steg som krävs vid traditionell halvledartillverkning och använder mycket mindre vatten och färre gaser och kemikalier.
De är också billiga att tillverka och skulle möjliggöra flexibel elektronik, bärbara sensorer och biokompatibla enheter som kan introduceras inuti kroppen. Problemet är att deras ledningsförmåga, även om den är god, inte är lika hög som deras oorganiska motsvarigheter.
Allt elektroniskt material kräver dopning, en metod för att infundera molekyler i halvledare för att öka konduktiviteten. Forskare använder molekyler som kallas dopämnen för att definiera de ledande delarna av elektriska kretsar. Doping i organiska material har irriterat forskarna på grund av bristande konsistens – ibland förbättrar dopningsmedel konduktiviteten medan de andra gånger förvärrar det.
I en ny studie har forskare från University of Utah och University of Massachusetts Amherst avslöjat den fysik som driver doping- och polymerinteraktioner som förklarar problemet med inkonsekvent konduktivitet.
Teamet upptäckte att positivt laddade bärare drar negativt laddade dopämnen från polymerkedjorna, vilket förhindrar flödet av elektrisk ström och tankar materialets konduktivitet. Deras experiment avslöjade dock att när tillräckligt många dopämnen injicerades i systemet ändrades elektronernas beteende för att fungera som en kollektiv skärm mot attraktionskrafterna, vilket lät resten av elektronerna flöda obehindrat.
"Det ideala fallet skulle vara att dumpa ett gäng fria elektroner i materialet för att utföra arbetet med att leda. Naturligtvis kan vi inte - vi måste använda molekyler för att förse elektronerna", säger Zlatan Akšamija, docent i material vetenskap och teknik vid U och huvudförfattare till studien. "Vårt nästa steg är att hitta kombinationerna av dopmedel och organiskt material som kan försvaga den interaktionen och göra konduktiviteten ännu högre. Men vi förstod inte den interaktionen tillräckligt bra för att kunna hantera det förrän nu."
Studien är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .
Elektricitet är ett flöde av elektroner. Kisel i sig är en dålig ledare - fyra elektroner i den yttre omloppsbanan bildar perfekta kovalenta bindningar med närliggande kiselatomer och lämnar inga fria elektroner. Det är här doping kommer in. Att lägga till en förorening till kislet kan göra två saker:Bidra med extra elektroner i systemet eller reducera elektroner i systemet, vilket skapar positivt laddade bärare som kallas hål.
Till exempel är arsenik ett vanligt dopmedel eftersom det har fem elektroner i sin yttre omloppsbana - fyra kommer att binda till kislet och den femte kommer att förbli fri. Så småningom kommer dopämnena att bidra med tillräckligt med fria elektroner för att tillåta en elektrisk ström att flöda genom kislet.
Till skillnad från kisel har organiska material en oordnad struktur i sina polymerkedjor, vilket resulterar i komplicerade interaktioner mellan dopmedlets extra elektroner och det polymeriserade materialet, förklarade Akšamija.
"Föreställ dig att polymerer är en skål med spagetti. De staplas inte riktigt perfekt. På grund av det tvingas elektronerna att hoppa från en del av polymeren till en annan och till nästa kedja, drivna av spänning," sa han.
Varje dopämne bidrar med en elektron i systemet åt gången, vilket innebär att till en början späds elektronerna som hoppar genom polymeren ut. Om en elektron hoppar längs kedjan och passerar nära ett dopmedel, kommer de motsatta laddningarna att attrahera varandra och få elektronen att vända ur kurs och störa den elektriska strömmen.
Uppenbarelsen av denna studie var att finna att detta beteende förändrades med en kritisk massa av elektroner i systemet - när en tröskel passeras, reagerar hopen av elektroner kollektivt. När en grupp elektroner passerar ett dopmedel, dras några mot laddningen och skapar en skärm som blockerar resten av elektronerna från att känna interaktionen.
"Och det är där screeningen verkligen gör jobbet med att blockera dopämnena. Bärarna screenar bort dopämnena, vilket gör det lättare för andra bärare att hoppa runt mer effektivt. Den här uppsatsen beskriver den fysiska mekanismen genom vilken detta händer", säger Akšamija.
UMass Amherst-kemisterna körde de fysiska experimenten. De använde två typer av polymerer som hade strukturer som var mer och mindre oordnade. De använde sedan ett lösningsmedel och belade det på ett tunt lager glas. De dopade sedan polymeren med jodångor. En fördel med jod är att det är instabilt – med tiden förlorar polymeren gradvis dopningsmolekyler till avdunstning.
"Detta var användbart för experiment eftersom vi kan fortsätta att mäta polymerens konduktivitet under en period av 24 eller 48 timmar. Detta protokoll ger oss en kurva för konduktivitet som en funktion av hur många dopämnen som finns kvar i materialet", säger Dhandapani Venkataraman , professor i kemi vid UMASS Amherst och medförfattare till studien.
"Det är ett snyggt knep för att få tillgång till nästan fyra storleksordningar av laddning i konduktivitet från låga, medelhöga kontra höga koncentrationer av dopämnen ... hela vägen ner till att vara i princip tillbaka till sitt ursprungliga orörda isolerande tillstånd."
Kemisterna körde experiment på två olika versioner av samma polymer - en som var mer regelbunden och den som var mer oordnad. De kunde sedan jämföra konduktiviteten i de två polymererna när dopämneskoncentrationen ändrades.
"Först var vi förbryllade över några av de experimentella resultaten, särskilt när vi hade ett stort antal dopämnen. Vi förväntade oss att den oordnade polymeren skulle vara mycket sämre än den ordnade polymeren vid alla koncentrationer av dopämnena. Men det var inte fall", sa Venkataraman.
Akšamijas forskargrupp fokuserade på växelverkan mellan materialen. De kunde kontrastera de olika förekomsterna av samma polymer med större eller mindre mängder störning för att urskilja var screening ägde rum.
Detta screeningbeteende hade aldrig betraktats som en del av organiska halvledarsystem, så de grävde fram papper och pennor för att förstå hur molekyler och laddningar interagerar med de första fysikprinciperna:Vilken är den underliggande ekvationen som styr laddningarnas interaktion? Akšamijas labb började där och byggde upp det igen. De översatte sedan formlerna till kod som simulerade hoppning av elektroner i närvaro av dopämnen samtidigt som screeningbeteendet inkluderades.
"Vi hade äntligen konvergerat till den punkt där datorsimuleringarna verkligen kan fånga experimenten, inte bara kvalitativt, utan verkligen kvantitativt. Det enda sättet att få simuleringen och experimenten att stämma var när vi inkluderade den här effekten av screening", säger Akšamija.
För närvarande använder författarna artificiell intelligens för att hjälpa till att upptäcka nya kombinationer av polymerer och dopämnen som kan ge den högsta konduktiviteten.
Mer information: Muhamed Duhandžić et al, Carrier Screening Controls Transport in Conjugated Polymers at High Doping Concentrations, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.248101. PåarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.03726
Tillhandahålls av University of Utah
