Svetlo umožňuje „nemožný“ n-doping organických polovodičov - Helmholtz-Zentrum Berlin
Aplikácie v svetlo emitujúcich diódach alebo solárnych článkoch
Doping organických polovodičov so zápornými nábojmi je obzvlášť ťažký. Nemecko-americký výskumný tím sa teraz uchýlil k triku: V prvom kroku spojil citlivé molekuly donora náboja (n-dopanty) v pároch a vytvorili diméry, ktoré sú oveľa stabilnejšie. Tieto diméry sa dali zabudovať do organických polovodičov, ale neprispievali k vodivosti. To sa zmenilo po krátkom vystavení svetlu. Tím ukázal, že svetlo rozkladá diméry na jednotlivé molekuly n-dopantu vo viackrokovom procese. To zvýšilo vodivosť organického polovodiča o stotisíckrát. Výsledky boli teraz publikované v Nature Materials.
Polovodičové komponenty sa používajú všade, nielen v mikročipoch, ale aj v solárnych článkoch, ktoré premieňajú svetlo na elektrickú energiu, a v mnohých ďalších každodenných aplikáciách. V posledných rokoch sa čoraz viac skúmajú a ďalej rozvíjajú aj organické polovodičové materiály. Ich vlastnosti sú tiež založené na cielenom zabudovaní malého počtu cudzích atómov alebo molekúl, vďaka čomu je ich vodivosť presne nastaviteľná.
Pre zaujímavé aplikácie sú však potrebné takzvané p-dopované a n-dopované polovodičové vrstvy, ktoré sa navzájom kombinujú a vytvárajú zodpovedajúce komponenty. V organických polovodičoch je však extrémne ťažké dosiahnuť doping typu n. Pretože to si vyžaduje zabudovanie určitej triedy organických molekúl, ktoré sa za okolitých podmienok (kyslík, vlhkosť) veľmi rýchlo rozkladajú.
Dva kroky k úspechu
V nedávnom článku v časopise Nature Materials sa nemecko-americký tím pokúsil o nový prístup k dopingu organických polovodičov s molekulami n. Do práce boli zapojené skupiny z Gruzínskeho technologického inštitútu, Princetonskej univerzity, Humboldtovej univerzity v Berlíne a Helmholtzovho centra v Berlíne.
Nový prístup sa skladá z dvoch krokov. V prvom kroku boli organokovové molekuly, n-dopanty, spojené za vzniku takzvaného diméru. Na rozdiel od východiskových molekúl je táto spojená molekula relatívne stabilná a môže byť zavedená do organického polovodiča bez toho, aby bola zničená; nie je však vhodný ako n-dopant a neuvoľňuje žiadne negatívne náboje.
Revolučným druhým krokom bolo objasnenie zmesi. Pri viacstupňovom procese dopadajúce fotóny opäť rozkladajú diméry na aktívne východiskové molekuly, ktoré potom môžu úplne rozvinúť svoj účinok ako n-dopantov.
Zvýšená vodivosť a životnosť
"Aktiváciou dopantov svetlom sme boli schopní zvýšiť vodivosť organických polovodičov o päť rádov!" To by mohlo významne zvýšiť účinnosť organických diód emitujúcich svetlo a solárnych článkov, “hovorí profesor Antoine Kahn z Princetonskej univerzity, ktorý projekt koordinoval.
„Tento výskum umožňuje oveľa jednoduchšiu výrobu organických polovodičových materiálov s dopovaným obsahom n pre široké spektrum aplikácií. Kritický krok - konkrétne odbúranie molekúl diméru svetlom - môže tiež nastať po zapuzdrení - takže dopingové molekuly zostanú chránené. To tiež zvýši životnosť týchto komponentov, “vysvetľuje profesor Norbert Koch, ktorý vedie spoločnú výskumnú skupinu„ Molekulárne systémy “v HU Berlín a HZB.
Nature Materials (2017): Prekonanie termodynamického limitu fotoaktiváciou n-dopingu v organických polovodičoch. Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Koch a Antoine Kahn