La Silicon Valley della California e le Silicon Slopes dello Utah prendono il nome dall'elemento maggiormente associato ai semiconduttori, la spina dorsale della rivoluzione informatica. Tutto ciò che è computerizzato o elettronico dipende dai semiconduttori, una sostanza con proprietà che conducono la corrente elettrica in determinate condizioni. I semiconduttori tradizionali sono realizzati con materiali inorganici, come il silicio, la cui produzione richiede grandi quantità di acqua ed energia.
Per anni, gli scienziati hanno cercato di creare alternative rispettose dell’ambiente utilizzando materiali organici, come i polimeri. I polimeri si formano collegando insieme piccole molecole per formare lunghe catene. Il processo di polimerizzazione evita molte delle fasi ad alto consumo energetico richieste nella tradizionale produzione di semiconduttori e utilizza molta meno acqua e meno gas e sostanze chimiche.
Sono anche economici da produrre e consentirebbero elettronica flessibile, sensori indossabili e dispositivi biocompatibili che potrebbero essere introdotti all’interno del corpo. Il problema è che la loro conduttività, sebbene buona, non è così elevata come quella delle loro controparti inorganiche.
Tutti i materiali elettronici richiedono il drogaggio, un metodo per infondere molecole nei semiconduttori per aumentare la conduttività. Gli scienziati utilizzano molecole chiamate droganti per definire le parti conduttive dei circuiti elettrici. Il doping nei materiali organici ha irritato gli scienziati a causa della mancanza di coerenza:a volte i droganti migliorano la conduttività mentre altre volte la peggiorano.
In un nuovo studio, i ricercatori dell'Università dello Utah e dell'Università del Massachusetts Amherst hanno scoperto la fisica che guida le interazioni tra droganti e polimeri che spiegano il problema della conduttività incoerente.
Il team ha scoperto che i trasportatori caricati positivamente attirano i droganti caricati negativamente dalle catene polimeriche, impedendo il flusso di corrente elettrica e compromettendo la conduttività del materiale. Tuttavia, i loro esperimenti hanno rivelato che quando nel sistema venivano iniettati abbastanza droganti, il comportamento degli elettroni cambiava per agire come uno schermo collettivo contro le forze di attrazione, consentendo al resto degli elettroni di fluire senza ostacoli.
"Il caso ideale sarebbe quello di scaricare un gruppo di elettroni liberi nel materiale per svolgere il lavoro di conduzione. Naturalmente non possiamo:dobbiamo usare molecole per fornire gli elettroni", ha affermato Zlatan Akšamija, professore associato di materiali. scienza e ingegneria presso l'U e autore principale dello studio. "Il nostro prossimo passo è trovare le combinazioni di droganti/materiali organici che possono indebolire tale interazione e aumentare ulteriormente la conduttività. Ma fino ad ora non avevamo compreso tale interazione abbastanza bene da poterla affrontare."
Lo studio è pubblicato sulla rivista Physical Review Letters .
L'elettricità è un flusso di elettroni. Il silicio di per sé è un cattivo conduttore:quattro elettroni nell’orbitale esterno formano legami covalenti perfetti con gli atomi di silicio vicini, senza lasciare elettroni liberi. È qui che entra in gioco il doping. L'aggiunta di un'impurità al silicio può fare due cose:contribuire con elettroni extra nel sistema o ridurre gli elettroni nel sistema, creando portatori con carica positiva chiamati buchi.
Ad esempio, l'arsenico è un drogante comune perché ha cinque elettroni nel suo orbitale esterno:quattro si legheranno al silicio e il quinto rimarrà libero. Alla fine, i droganti forniranno abbastanza elettroni liberi da consentire alla corrente elettrica di fluire attraverso il silicio.
A differenza del silicio, i materiali organici hanno una struttura disordinata nelle loro catene polimeriche, con conseguenti complicate interazioni tra gli elettroni extra del drogante e il materiale polimerizzato, ha spiegato Akšamija.
"Immaginiamo che i polimeri siano una ciotola di spaghetti. Non si impilano perfettamente. Per questo motivo, gli elettroni sono costretti a saltare da una parte all'altra del polimero e alla catena successiva, spinti dalla tensione", ha detto.
Ciascun drogante contribuisce con un elettrone alla volta al sistema, il che significa che, inizialmente, gli elettroni che saltano attraverso il polimero vengono diluiti. Se un elettrone salta lungo la catena e passa vicino a un drogante, le cariche opposte si attrarranno a vicenda e faranno deviare l'elettrone dalla rotta e interromperanno la corrente elettrica.
La rivelazione di questo studio è stata la scoperta che questo comportamento cambia con una massa critica di elettroni nel sistema:quando viene superata una soglia, la massa di elettroni risponde collettivamente. Quando un gruppo di elettroni attraversa un drogante, alcuni vengono attratti verso la carica e creano uno schermo che impedisce al resto degli elettroni di percepire l'interazione.
"Ed è qui che lo screening svolge davvero il lavoro di blocco dei droganti. I trasportatori stanno eliminando i droganti, il che rende più facile per gli altri trasportatori spostarsi in modo più efficiente. Questo articolo descrive il meccanismo fisico attraverso il quale ciò avviene", ha affermato Akšamija.
I chimici dell'UMass Amherst hanno condotto gli esperimenti fisici. Hanno utilizzato due tipi di polimeri che avevano strutture più e meno disordinate. Hanno quindi utilizzato un solvente e lo hanno rivestito su un sottile strato di vetro. Hanno poi drogato il polimero con vapori di iodio. Uno dei vantaggi dello iodio è che è instabile:nel tempo, il polimero perde gradualmente le molecole droganti mediante evaporazione.
"Ciò è stato utile per gli esperimenti perché possiamo continuare a misurare la conduttività del polimero per un periodo di 24 o 48 ore. Questo protocollo ci fornisce una curva di conduttività in funzione di quanti droganti sono rimasti nel materiale", ha affermato Dhandapani Venkataraman , professore di chimica all'UMASS Amherst e coautore dello studio.
"È un bel trucco avere accesso a quasi quattro ordini di grandezza di carica nella conduttività da concentrazioni di droganti basse, medie e alte... fino al ritorno essenzialmente al suo stato isolante originale."
I chimici hanno condotto esperimenti su due diverse versioni dello stesso polimero:una più regolare e l’altra più disordinata. Hanno quindi potuto confrontare la conduttività nei due polimeri al variare della concentrazione del drogante.
"All'inizio eravamo perplessi davanti ad alcuni risultati sperimentali, soprattutto quando avevamo un gran numero di droganti. Ci aspettavamo che il polimero disordinato sarebbe stato molto inferiore al polimero ordinato a tutte le concentrazioni di droganti. Ma non era quella la verità. caso", ha detto Venkataraman.
Il gruppo di ricerca di Akšamija si è concentrato sulle interazioni dei materiali. Sono stati in grado di confrontare le diverse istanze dello stesso polimero con quantità maggiori o minori di disordine per discernere dove si stava verificando lo screening.
Questo comportamento di schermatura non era mai stato considerato parte dei sistemi di semiconduttori organici, quindi hanno tirato fuori carta e matite per capire come interagiscono le molecole e le cariche utilizzando i primi principi fisici:qual è l'equazione sottostante che governa l'interazione delle cariche? Il laboratorio di Akšamija è partito da lì e lo ha ricostruito. Hanno poi tradotto le formule in codice che simulava il salto degli elettroni in presenza di droganti includendo al contempo il comportamento di screening.
"Siamo finalmente arrivati al punto in cui le simulazioni al computer possono davvero catturare gli esperimenti, non solo qualitativamente, ma davvero quantitativamente. L'unico modo per allineare la simulazione e gli esperimenti è stato includere questo effetto di screening", ha affermato Akšamija.
Attualmente, gli autori stanno impiegando l'intelligenza artificiale per scoprire nuove combinazioni di polimeri e droganti che potrebbero produrre la massima conduttività.
Ulteriori informazioni: Muhamed Duhandžić et al, Carrier Screening Controls Transport in Conjucted Polymers at High Doping Concentrations, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.248101. SuarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.03726
Fornito dall'Università dello Utah
