I semiconduttori, e la nostra padronanza di essi, ci hanno permesso di sviluppare la tecnologia alla base della nostra società moderna. Questi dispositivi sono responsabili di un'ampia gamma di componenti elettronici, compresi i circuiti stampati, chip e sensori per computer.

La conduttanza elettrica dei semiconduttori rientra tra quelle degli isolanti, come la gomma, e conduttori, come il rame. Drogando i materiali con diverse impurità, gli scienziati possono controllare le proprietà elettriche di un semiconduttore. Questo è ciò che li rende così utili in elettronica.

Scienziati e ingegneri hanno esplorato nuovi tipi di semiconduttori con proprietà interessanti che potrebbero portare a innovazioni rivoluzionarie. Una classe di questi nuovi materiali sono i semiconduttori organici (OSC), che sono a base di carbonio anziché di silicio. Gli OSC sono più leggeri e flessibili delle loro controparti convenzionali, proprietà che si prestano a tutti i tipi di potenziali applicazioni, come l'elettronica flessibile, ad esempio.

Nel 2014, Il professor Thuc-Quyen Nguyen e il suo laboratorio della UC Santa Barbara hanno riferito per la prima volta sul doping di OSC utilizzando acidi di Lewis per aumentare la conduttanza di alcuni polimeri semiconduttori; però, nessuno sapeva perché questo aumento fosse avvenuto fino ad ora.

Attraverso uno sforzo collaborativo, Nguyen e i suoi collage hanno analizzato questo meccanismo, e la loro scoperta inaspettata promette di concederci un maggiore controllo su questi materiali. Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia e i risultati appaiono sulla rivista Materiali della natura .

I ricercatori della UC Santa Barbara hanno collaborato con un team internazionale dell'Università del Kentucky, Humboldt University di Berlino e Donghua University di Shanghai. "Il meccanismo di drogaggio che utilizza gli acidi di Lewis è unico e complesso; pertanto, richiede un lavoro di squadra, " ha spiegato Nguyen.

"Ecco di cosa tratta questo giornale, " ha detto l'autore principale Brett Yurash, un dottorando nel laboratorio di Nguyen, "capire perché l'aggiunta di questa sostanza chimica al semiconduttore organico aumenta la sua conduttività".

"La gente pensava che fosse solo l'acido di Lewis che agisce sul semiconduttore organico, " ha spiegato. "Ma si scopre che non si ottiene questo effetto a meno che non sia presente l'acqua."

Apparentemente, l'acqua media una parte fondamentale di questo processo. L'acido di Lewis afferra un atomo di idrogeno dall'acqua e lo passa all'OSC. La carica extra positiva rende instabile la molecola OSC, quindi un elettrone di una molecola vicina migra per annullare la carica. Questo lascia un "buco" caricato positivamente che poi contribuisce alla conduttività del materiale.

"Il fatto che l'acqua avesse un ruolo è stato davvero inaspettato, " disse Yurash, l'autore principale del documento.

La maggior parte di queste reazioni viene eseguita in ambienti controllati. Ad esempio, gli esperimenti all'UC Santa Barbara sono stati condotti in condizioni asciutte sotto un'atmosfera di azoto. Non doveva esserci affatto umidità nella camera. Però, chiaramente un po' di umidità era penetrata nella scatola con gli altri materiali. "Basta una piccola quantità di acqua per avere questo effetto doping, " disse Yurash.

Scienziati, ingegneri e tecnici devono essere in grado di drogare in modo controllabile un semiconduttore affinché sia ​​pratico. "Abbiamo completamente padroneggiato il silicio, ", ha detto. "Possiamo drogarlo nella quantità esatta che vogliamo ed è molto stabile." Al contrario, il doping controllabile degli OSC è stata una sfida enorme.

Gli acidi di Lewis sono in realtà droganti abbastanza stabili, e i risultati del team si applicano in modo abbastanza ampio, al di là semplicemente dei pochi OSC e acidi che hanno testato. La maggior parte del lavoro sul doping dell'OSC ha utilizzato droganti molecolari che non si dissolvono facilmente in molti solventi "Acidi di Lewis, d'altra parte, sono solubili nei comuni solventi organici, a buon mercato, e disponibile in varie strutture, " ha spiegato Nguyen.

Comprendere il meccanismo in atto dovrebbe consentire ai ricercatori di progettare intenzionalmente droganti ancora migliori. "Si spera che questo sia il trampolino di lancio da cui partire per altre idee, " disse Yurash. Alla fine, il team spera che queste informazioni aiutino a spingere i semiconduttori organici verso una realizzazione commerciale più ampia.