Una scoperta di un team internazionale di ricercatori della Princeton University, il Georgia Institute of Technology e la Humboldt University di Berlino indicano la strada per un uso più diffuso di una tecnologia avanzata generalmente nota come elettronica organica.

La ricerca, pubblicato il 13 novembre sulla rivista Materiali della natura , si concentra sui semiconduttori organici, una classe di materiali apprezzati per le loro applicazioni nelle tecnologie emergenti come l'elettronica flessibile, conversione dell'energia solare, e display a colori di alta qualità per smartphone e televisori. A breve termine, l'anticipo dovrebbe particolarmente aiutare con i diodi organici a emissione di luce che operano ad alta energia per emettere colori come il verde e il blu.

"I semiconduttori organici sono materiali ideali per la fabbricazione di dispositivi meccanicamente flessibili con processi a bassa temperatura a risparmio energetico, " disse Xin Lin, uno studente di dottorato e un membro del gruppo di ricerca di Princeton. "Uno dei loro principali svantaggi è stata la loro conduttività elettrica relativamente scarsa, il che porta a dispositivi inefficienti con una durata operativa più breve rispetto a quella richiesta per le applicazioni commerciali. Stiamo lavorando per migliorare le proprietà elettriche dei semiconduttori organici per renderli disponibili per più applicazioni".

semiconduttori, tipicamente in silicio, sono il fondamento dell'elettronica moderna perché gli ingegneri possono sfruttare le loro proprietà uniche per controllare le correnti elettriche. Tra le tante applicazioni, i dispositivi a semiconduttore sono utilizzati per l'elaborazione, amplificazione e commutazione del segnale. Sono utilizzati in dispositivi a risparmio energetico come diodi emettitori di luce e dispositivi che convertono l'energia come le celle solari.

Essenziale per queste funzionalità è un processo chiamato doping, in cui la composizione chimica del semiconduttore viene modificata aggiungendo una piccola quantità di sostanze chimiche o impurità. Scegliendo con cura il tipo e la quantità di drogante, i ricercatori possono alterare la struttura elettronica e il comportamento elettrico dei semiconduttori in vari modi.

Nel loro recente articolo su Nature Materials, i ricercatori descrivono un nuovo approccio per aumentare notevolmente la conduttività dei semiconduttori organici, che sono formati da molecole a base di carbonio piuttosto che da atomi di silicio. Il drogante, un composto contenente rutenio, è un agente riducente, il che significa che aggiunge elettroni al semiconduttore organico come parte del processo di drogaggio. L'aggiunta degli elettroni è la chiave per aumentare la conduttività del semiconduttore. Il composto appartiene a una classe di droganti di nuova introduzione chiamati droganti organometallici dimerici. A differenza di molti altri potenti agenti riducenti, questi droganti sono stabili quando esposti all'aria ma funzionano ancora come forti donatori di elettroni sia in soluzione che allo stato solido.

Seth Marder e Steve Barlow della Georgia Tech, che ha guidato lo sviluppo del nuovo drogante, chiamò il composto di rutenio un "drogante iper-riducente". Hanno detto che è insolito, non solo la sua combinazione di forza di donazione di elettroni e stabilità dell'aria, ma nella sua capacità di lavorare con una classe di semiconduttori organici che in precedenza erano molto difficili da drogare. Negli studi condotti a Princeton, i ricercatori hanno scoperto che il nuovo drogante ha aumentato la conduttività di questi semiconduttori di circa un milione di volte.

Il composto di rutenio è un dimero, il che significa che consiste di due molecole identiche, o monomeri, legati da un legame chimico. Come è, il composto è relativamente stabile e, quando aggiunti a questi semiconduttori difficili da drogare, non reagisce e rimane nel suo stato di equilibrio. Ciò poneva un problema perché per aumentare la conduttività del semiconduttore organico, il dimero di rutenio deve dividere e rilasciare i suoi due monomeri identici.

Lin, lo studente di dottorato di Princeton che è stato autore principale dell'articolo Nature Materials, ha detto che i ricercatori hanno cercato diversi modi per rompere il dimero di rutenio e attivare il doping. Infine, lui e Berthold Wegner, uno studente laureato in visita dal gruppo di Norbert Koch alla Humboldt University, colpito dall'aggiunta di energia irradiando con luce ultravioletta, che ha effettivamente eccitato le molecole nel semiconduttore e ha avviato la reazione. Sotto l'esposizione alla luce, i dimeri si scindono in monomeri, e la conducibilità è aumentata.

Dopo di che, i ricercatori hanno fatto un'osservazione interessante.

"Una volta spenta la luce, ci si potrebbe ingenuamente aspettare che si verifichi la reazione inversa" e che l'aumento della conduttività scompaia, Marder ha detto in una e-mail. "Però, Questo non è il caso."

I ricercatori hanno scoperto che i monomeri di rutenio sono rimasti isolati nel semiconduttore _ aumentando la conduttività _ anche se la termodinamica dovrebbe riportare le molecole alla loro configurazione originale come dimeri. Antoine Kahn, un professore di Princeton che guida il gruppo di ricerca, ha detto che la disposizione fisica delle molecole all'interno del semiconduttore drogato fornisce una probabile risposta a questo enigma. L'ipotesi è che i monomeri siano sparsi nel semiconduttore in modo tale che sia molto difficile per loro tornare alla loro configurazione originale e riformare il dimero di rutenio. Per riformare, Egli ha detto, i monomeri devono essere rivolti nell'orientamento corretto, ma nell'impasto rimangono di traverso. Così, anche se la termodinamica mostra che i dimeri dovrebbero riformarsi, la maggior parte non torna mai insieme.

"La domanda è perché queste cose non stanno tornando insieme in equilibrio, " ha detto Kahn, il Professore Stephen C. Macaleer '63 in Ingegneria e Scienze Applicate. "La risposta è che sono cineticamente intrappolati."

Infatti, i ricercatori hanno osservato il semiconduttore drogato per oltre un anno e hanno riscontrato una diminuzione molto ridotta della conduttività elettrica. Anche, osservando il materiale nei diodi emettitori di luce fabbricati dal gruppo di Barry Rand, un assistente professore di ingegneria elettrica a Princeton e all'Andlinger Center for Energy and the Environment, i ricercatori hanno scoperto che il doping veniva continuamente riattivato dalla luce prodotta dal dispositivo.

La luce attiva di più il sistema, che porta a una maggiore produzione di luce e a una maggiore attivazione fino a quando il sistema non è completamente attivato, ha detto Marder. "Questa da sola è un'osservazione nuova e sorprendente."