(a) Immagine SEM di un nanoporo con gate metallico. Il riquadro mostra la vista dell'angolo di inclinazione. (b) Deposizione di una nanoparticella PTCDA in un nanoporo, e (c) una nanoparticella situata in un nanoporo e inserita tra gli elettrodi. (d) Immagine SEM di una nanoparticella in un nanoporo. (e, f) Immagini 3D-TEM ricostruite della nanoparticella all'interno del nanoporo. Credito:Linh-Nam Nguyen, et al. ©2013 AIP Publishing LLC
(Phys.org) —I dispositivi a semiconduttore organici hanno molti attributi positivi, come il loro basso costo, elevata flessibilità, peso leggero, e facilità di lavorazione. Però, uno svantaggio dei semiconduttori organici è che generalmente hanno una bassa mobilità degli elettroni, con conseguente debole corrente e scarsa conduttività.
In un nuovo studio, scienziati di Taiwan hanno progettato e costruito un transistor a semiconduttore organico con una mobilità di 2-3 ordini di grandezza superiore a quella dei transistor a semiconduttore organici convenzionali. I vantaggi di un'elevata mobilità potrebbero estendersi a un'ampia gamma di applicazioni, come display a LED organici, celle solari organiche, e transistor organici ad effetto di campo.
I ricercatori, in collaborazione dei gruppi del Prof. CD Chen dell'Academia Sinica e del Prof. MT Lin della National Taiwan University, hanno pubblicato il loro articolo sul nuovo semiconduttore organico ad alta mobilità in un recente numero di Lettere di fisica applicata .
La ragione principale della bassa mobilità degli elettroni nei semiconduttori organici convenzionali è la diffusione degli elettroni dovuta a difetti strutturali sotto forma di bordi di grano. Progettando un transistor a semiconduttore organico contenente solo un singolo grano, gli scienziati potrebbero evitare il problema della dispersione dei bordi dei grani.
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che un dispositivo contenente una singola nanoparticella organica (anidride perilene tetracarbossilica, PTCDA) incorporato in un nanoporo e circondato da elettrodi raggiunge il più alto valore di mobilità degli elettroni fino ad oggi di 1 ordine di grandezza, ed è di 2-3 ordini di grandezza superiore ai valori riportati per i convenzionali transistor a semiconduttore organico realizzati con film policristallini. I valori di mobilità del nuovo dispositivo sono 0,08 cm 2 /Vs a temperatura ambiente e 0,5 cm 2 /Vs a un fresco 80 K, che si stanno avvicinando alla mobilità intrinseca di PTCDA.
Oltre alla sua elevata mobilità, il nuovo transistor a semiconduttore organico offre anche la più alta efficienza quantistica esterna riportata fino ad oggi. I ricercatori attribuiscono questa proprietà all'uso di una singola nanoparticella nel dispositivo, ma per ragioni diverse dalla riduzione della dispersione dei bordi dei grani. Anziché, l'ampia superficie e le piccole dimensioni della nanoparticella, con conseguente breve distanza di viaggio per gli elettroni, fornire l'elevata efficienza quantica. Come misura della sensibilità elettrica di un dispositivo alla luce, un'elevata efficienza quantica è utile per le applicazioni di energia solare.
Del tutto, le proprietà migliorate dei transistor a semiconduttore organici potrebbero avere implicazioni di vasta portata nei dispositivi elettronici e optoelettronici.
"I materiali organici ad alta mobilità hanno potenziali applicazioni in display flessibili come i diodi organici a emissione di luce a matrice attiva (AMOLED) negli smartphone commerciali, fotocamere digitali, TV e un display simile alla carta o una carta elettronica, "Lin ha detto Phys.org . "Un'altra applicazione del materiale organico ad alta mobilità è quella di realizzare transistor ad effetto di campo per sensori flessibili di ampia area come i sensori di pressione per la pelle artificiale elettronica in una futura generazione di robot".
Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di studiare ulteriormente le proprietà delle singole nanoparticelle e di altri materiali semiconduttori.
"Una possibilità immediata per i dispositivi a nanopori gated a stato solido è per lo studio delle proprietà elettroniche e optoelettroniche di singole nanoparticelle semiconduttrici, " Lin ha detto. "Inoltre, utilizziamo anche questa piattaforma per esplorare le proprietà di trasporto degli elettroni perpendicolare al piano di materiali a strato atomico come i dichalcogenuri di metalli di transizione. Lo studio sul trasporto dipendente dallo spin con elettrodi magnetici sarà un altro argomento interessante per la potenziale applicazione di dispositivi spintronici organici. Riteniamo che ciò fornirebbe informazioni utili sulle caratteristiche fondamentali di questi interessanti materiali".
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