I semiconduttori organici di scarsa qualità possono diventare semiconduttori di alta qualità se fabbricati nel modo corretto. I ricercatori dell'Università di Linköping mostrano in un articolo su Nature Materials che il movimento delle cariche nei dispositivi elettronici organici è drasticamente rallentato da minuscole quantità di acqua.

La scoperta che i materiali organici, come polimeri, possono fungere da semiconduttori ha portato al Premio Nobel per la Chimica nel 2000. Da allora, la ricerca all'interno dell'elettronica organica è davvero esplosa, non da ultimo all'Università di Linköping, che ospita la ricerca leader a livello mondiale nel settore.

semiconduttori organici, però, non condurre la corrente in modo efficiente come, Per esempio, semiconduttori di silicio o altri materiali inorganici. Gli scienziati hanno scoperto che una delle cause di ciò è la formazione di trappole nei materiali organici in cui rimangono bloccati i portatori di carica. Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno lavorato duramente per capire non solo dove si trovano le trappole, ma anche come possono essere eliminati.

"Ci sono trappole in tutti i semiconduttori organici, ma sono probabilmente un problema maggiore nei materiali di tipo n, poiché questi sono generalmente semiconduttori più poveri dei materiali di tipo p", dice Martijn Kemerink, professore di fisica applicata presso la Divisione Materiali e Dispositivi Complessi dell'Università di Linköping.

I materiali di tipo p hanno una carica positiva e i portatori di carica sono costituiti da fori, mentre i materiali di tipo n hanno portatori di carica sotto forma di elettroni, che conferisce al materiale una carica negativa.

Martijn Kemerink e i suoi colleghi della Linköping University hanno concluso che l'acqua è il cattivo del pezzo. Nello specifico, si pensa che l'acqua risieda in pori di dimensioni nanometriche nel materiale organico e venga assorbita dall'ambiente.

"In un materiale di tipo p i dipoli nell'acqua si allineano con le loro estremità negative verso i fori, che è carica positivamente, e l'energia dell'intero sistema si abbassa. Si potrebbe dire che i dipoli incorporano i portatori di carica in modo tale che non possono più andare da nessuna parte", dice Martijn Kemerink.

Per i materiali di tipo n, l'acqua si orienta al contrario, ma l'effetto è lo stesso la carica è intrappolata.

Sono stati condotti esperimenti in cui il materiale viene riscaldato, per asciugarlo e far sparire l'acqua. Funziona bene per un po', ma il materiale successivamente riassorbe acqua dall'aria circostante, e molti dei benefici ottenuti dall'essiccazione scompaiono.

"Più acqua, più trappole. Abbiamo anche dimostrato che più i film possono essere prodotti secchi, migliori sono i conduttori. Il lavoro teorico di Mathieu Linares ha confermato quantitativamente le nostre idee su ciò che stava accadendo, quello che era molto soddisfacente. Il nostro articolo in Nature Materials mostra non solo come far uscire l'acqua, ma anche come fare in modo che l'acqua resti fuori, al fine di produrre un materiale organico con conducibilità stabile."

Per evitare il riassorbimento di acqua nel materiale una volta essiccato, gli scienziati hanno anche sviluppato un modo per rimuovere i vuoti in cui altrimenti sarebbero penetrate le molecole d'acqua. Questo metodo si basa su una combinazione di riscaldamento del materiale in presenza di un opportuno solvente organico.

"Materiali che in precedenza si ritenevano semiconduttori estremamente scadenti possono invece diventare buoni semiconduttori, purché siano fabbricati in un'atmosfera secca. Abbiamo dimostrato che i materiali preparati a secco tendono a rimanere asciutti, mentre i materiali che vengono realizzati in presenza di acqua possono essere essiccati. Questi ultimi sono, però, estremamente sensibile all'acqua. Questo è vero per i materiali che abbiamo testato, ma non c'è nulla che suggerisca che altri materiali semiconduttori organici si comportino diversamente", dice Martijn Kemerink.