semiconduttori organici, una classe di materiali a base di carbonio con proprietà ottiche ed elettroniche, sono ora comunemente usati per fabbricare una varietà di dispositivi, comprese le celle solari, diodi emettitori di luce e transistor ad effetto di campo. Questi materiali semiconduttori possono esibire una caratteristica nota come trasporto di carica altamente unipolare, il che significa essenzialmente che conducono prevalentemente elettroni o lacune. Questo può essere un po' problematico, in quanto ne ostacola l'efficienza e le prestazioni.

I ricercatori del Max Planck Institute for Polymer Research hanno recentemente identificato una finestra energetica all'interno della quale i semiconduttori organici non subiscono l'intrappolamento della carica. Come spiegato nel loro documento, pubblicato in Materiali della natura , questa finestra consente il trasporto senza trappole di entrambi i vettori.

"Nel 2012 abbiamo studiato l'intrappolamento degli elettroni nei polimeri coniugati e abbiamo scoperto che l'abbassamento dei livelli di energia a cui avviene il trasporto degli elettroni (cioè LUMO) potrebbe ridurre la quantità di intrappolamento degli elettroni, " Gert-Jan Wetzelaer, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "L'anno scorso, abbiamo sviluppato una strategia per migliorare gli elettrodi nei dispositivi a semiconduttore organico, che ci ha permesso di studiare i semiconduttori organici con una gamma molto ampia di livelli di energia. Nel nostro nuovo studio, eravamo interessati a come la posizione di questi livelli di energia avrebbe influenzato il trasporto di elettroni e lacune, anche per livelli energetici molto profondi, che in precedenza non poteva essere esplorato."

Per studiare come la posizione dei livelli di energia può influenzare la capacità di un semiconduttore di trasportare sia elettroni che lacune, Wetzelaer e i suoi colleghi hanno misurato le correnti di elettroni e lacune in una varietà di semiconduttori organici. Nel loro lavoro precedente, hanno osservato che il grado in cui questa corrente dipende dalla tensione applicata attraverso un film semiconduttore può essere utilizzato come misura della quantità di carica intrappolata.

Quando i ricercatori hanno misurato la corrente che passa attraverso una vasta gamma di semiconduttori organici con diversi livelli di energia, hanno scoperto che i livelli di energia dei singoli materiali influenzavano se la corrente era limitata o meno dall'intrappolamento della carica. Dopo aver condotto una serie di esperimenti e raccolto numerose osservazioni, sono stati in grado di identificare una finestra in cui i semiconduttori organici possono ottenere un trasporto di carica senza trappole.

Più specificamente, hanno osservato che quando l'energia di ionizzazione di un materiale sale sopra i 6 eV, si verifica l'intrappolamento del foro e quindi non sarà più in grado di condurre i fori in modo efficiente. D'altra parte, quando l'affinità elettronica di un materiale è inferiore a 3,6 eV, non sarà in grado di trasportare gli elettroni in modo efficiente. Per condurre efficacemente sia gli elettroni che le lacune, perciò, i livelli di energia di ionizzazione e di affinità elettronica di un materiale dovrebbero essere all'interno di questa finestra specifica.

"I nostri risultati implicano che per prestazioni ottimali, i livelli energetici dei semiconduttori organici utilizzati nei dispositivi, come gli OLED e le celle solari organiche, dovrebbe essere idealmente situato all'interno della finestra energetica scoperta, " disse Wetzelaer. "All'interno di questa finestra di energia, la conduzione dei portatori di carica sarà efficiente, che è importante per convertire l'elettricità in luce e viceversa."

Lo studio condotto da Wetzelear e dai suoi colleghi introduce una regola generale di progettazione per i semiconduttori organici che può essere utilizzata per la fabbricazione di OLED, celle solari e transistor ad effetto di campo. Questa "regola generale" specifica i livelli energetici desiderabili per ottenere una maggiore efficienza e conduttività nei dispositivi costruiti utilizzando questi materiali.

"Recentemente siamo riusciti a creare un OLED altamente efficiente basato su queste regole di progettazione, con un'architettura del dispositivo molto meno complessa di quella normalmente utilizzata, " ha aggiunto Wetzelaer.

Wetzelaer e i suoi colleghi hanno effettuato una serie di simulazioni e raccolto ulteriori risultati interessanti, suggerendo che gli ammassi d'acqua potrebbero essere la fonte dell'intrappolamento dei buchi. Questa osservazione chiave potrebbe aiutare a ideare strategie per rimuovere le trappole di carica dai film semiconduttori.

Nel futuro, la finestra energetica identificata da questo team di ricercatori potrebbe favorire lo sviluppo di dispositivi basati su semiconduttori più efficienti. Inoltre, le loro osservazioni sollevano domande interessanti relative alla progettazione di OLED blu.

"Negli OLED blu, il gap energetico richiesto per l'emissione di luce blu è di circa 3,0 eV, che è più grande della finestra senza trappole, " Wetzelaer ha detto. "Stiamo ora pianificando di studiare strategie per rimuovere o disabilitare le trappole di carica nei semiconduttori organici, essere in grado di realizzare OLED blu altamente efficienti."

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