Rappresentazione della mobilità dei portatori in materiali inorganici duri (figura superiore, trasporto di banda) e solidi organici flessibili (cifra inferiore, meccanismo di trasporto indotto dalla flessibilità). Credito:Kazuyuki Sakamoto
I materiali organici che possono condurre la carica hanno il potenziale per essere utilizzati in una vasta gamma di interessanti applicazioni, compresi dispositivi elettronici flessibili e celle solari a basso costo. Però, ad oggi, solo i diodi organici a emissione di luce (OLED) hanno avuto un impatto commerciale a causa delle lacune nella comprensione dei semiconduttori organici che hanno miglioramenti limitati nella mobilità dei portatori di carica. Ora un team internazionale che comprende ricercatori dell'Università di Osaka ha dimostrato il meccanismo della mobilità di carica in un singolo cristallo organico. I loro risultati sono pubblicati in Rapporti scientifici .
Nel tentativo di migliorare la mobilità dei portatori di carica nei cristalli organici, notevole attenzione è stata rivolta alla comprensione di come la struttura elettronica dei singoli cristalli organici consente il movimento della carica. L'analisi di singoli cristalli altamente ordinati invece di campioni che contengono molti difetti e disturbi fornisce il quadro più accurato di come si muovono i portatori di carica nel materiale organico.
I ricercatori hanno analizzato un singolo cristallo di rubrene, quale, grazie alla sua elevata mobilità di carica, è uno dei materiali organici conduttori più promettenti. Però, nonostante la popolarità di rubrene, la sua struttura elettronica non è ben compresa. Hanno scoperto che le conclusioni basate sulla teoria raggiunte nel lavoro precedente erano imprecise a causa delle vibrazioni molecolari a temperatura ambiente che sono una conseguenza della flessibilità del materiale.
"Abbiamo dimostrato un nuovo meccanismo che non si osserva per i materiali semiconduttori inorganici tradizionali, ", spiega l'autore corrispondente dello studio Kazuyuki Sakamoto. "I semiconduttori inorganici come il silicio, che sono ampiamente utilizzati in elettronica, sono generalmente difficili, materiali rigidi; perciò, alcune ipotesi fatte per questi materiali non si traducono in materiali conduttori organici che sono più flessibili".
La struttura a bande di un monocristallo di rubrene. Cerchi e linee continue mostrano i dati sperimentali presenti, e la linea tratteggiata mostra la banda artificiale proposta in studi precedenti. La larghezza di banda ridotta indica la bassa mobilità del vettore "simile a una banda". Credito:Kazuyuki Sakamoto
La riuscita preparazione di un campione di cristallo singolo di rubrene di altissima qualità ha permesso di condurre esperimenti che hanno fornito un confronto definitivo con i dati precedenti. Gli esperimenti hanno evidenziato i limiti delle ipotesi precedenti e hanno rivelato l'influenza di altri fattori come la diffrazione elettronica e le vibrazioni molecolari.
"Dimostrando in modo affidabile il comportamento a temperatura ambiente di un materiale organico conduttore e riformulando il pensiero alla base delle precedenti conclusioni tratte, abbiamo fornito una base molto più chiara per il futuro della ricerca, " Spiega il professor Sakamoto. "Ci auguriamo che questa intuizione acceleri lo sviluppo di dispositivi conduttori flessibili con un'ampia gamma di funzioni interessanti".
