I ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) riferiscono di un transistor unipolare di tipo n con prestazioni di mobilità degli elettroni rivoluzionarie fino a 7,16 cm ² V ^-1 S ^-1 . Questo risultato preannuncia un futuro entusiasmante per l'elettronica organica, compreso lo sviluppo di display flessibili innovativi e tecnologie indossabili.

I ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di nuovi materiali in grado di migliorare le prestazioni dei componenti di base necessari per sviluppare l'elettronica organica.

Ora, un team di ricerca presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Tokyo Tech, tra cui Tsuyoshi Michinobu e Yang Wang, riporta un modo per aumentare la mobilità degli elettroni dei polimeri semiconduttori, che in precedenza si sono rivelati difficili da ottimizzare. Il loro materiale ad alte prestazioni raggiunge una mobilità degli elettroni di 7,16 cm2 V-1 s-1, rappresentando un aumento di oltre il 40% rispetto ai precedenti risultati comparabili.

Nel loro studio pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana , si sono concentrati sul miglioramento delle prestazioni dei materiali noti come polimeri semiconduttori di tipo n. Questi materiali di tipo n (negativo) sono a dominanza elettronica, in contrasto con i materiali di tipo p (positivo) che sono dominanti sui fori. "Poiché i radicali con carica negativa sono intrinsecamente instabili rispetto a quelli con carica positiva, la produzione di polimeri semiconduttori stabili di tipo n è stata una grande sfida nell'elettronica organica, "Spiega Michinobu.

La ricerca affronta quindi sia una sfida fondamentale che un'esigenza pratica. Wang osserva che molte celle solari organiche, Per esempio, sono costituiti da polimeri semiconduttori di tipo p e derivati ​​fullerenici di tipo n. Lo svantaggio è che questi ultimi sono costosi, difficile da sintetizzare e incompatibile con dispositivi flessibili. "Per superare questi svantaggi, " lui dice, "I polimeri semiconduttori di tipo n ad alte prestazioni sono altamente desiderati per far progredire la ricerca sulle celle solari interamente polimeriche".

Il metodo del team prevedeva l'utilizzo di una serie di nuovi derivati ​​di poli(benzotiadiazolo-naftalenimide) e la messa a punto della conformazione della struttura portante del materiale. Ciò è stato reso possibile dall'introduzione di ponti vinilici in grado di formare legami idrogeno con atomi di fluoro e ossigeno vicini. L'introduzione di questi ponti in vinilene ha richiesto un'impresa tecnica per ottimizzare le condizioni di reazione.

Globale, il materiale risultante aveva un ordine di confezionamento molecolare migliorato e una maggiore resistenza, che ha contribuito all'aumento della mobilità degli elettroni.

Utilizzando tecniche come lo scattering di raggi X grandangolare a incidenza radente (GIWAXS), i ricercatori hanno confermato di aver raggiunto una distanza di impilamento π-π estremamente breve di soli 3,40 angstrom. "Questo valore è tra i più brevi per i polimeri semiconduttori organici ad alta mobilità, "dice Michinobu.

Ci sono diverse sfide rimaste. "Dobbiamo ottimizzare ulteriormente la struttura della spina dorsale, " continua. "Allo stesso tempo, anche i gruppi di catene laterali svolgono un ruolo significativo nel determinare la cristallinità e l'orientamento dell'impaccamento dei polimeri semiconduttori. Abbiamo ancora margini di miglioramento".

Wang sottolinea che i livelli più bassi di orbitali molecolari liberi (LUMO) si trovavano tra -3,8 e -3,9 eV per i polimeri riportati. "Poiché i livelli LUMO più profondi portano a un trasporto di elettroni più veloce e più stabile, ulteriori progetti che introducono sp2-N, atomi di fluoro e cloro, Per esempio, potrebbe aiutare a raggiungere livelli LUMO ancora più profondi, " lui dice.

In futuro, i ricercatori mireranno anche a migliorare la stabilità in aria dei transistor a canale n, una questione cruciale per la realizzazione di applicazioni pratiche che includerebbero circuiti logici simili a CMOS (metal-ossido-semiconduttore complementare), celle solari interamente polimeriche, fotorivelatori organici e termoelettrici organici.