I nostri smartphone, compresse, computer e biosensori sono tutti migliorati grazie al rapido aumento dell'efficienza dei semiconduttori.

Dall'inizio del XXI secolo, biologico, o a base di carbonio, i semiconduttori sono emersi come una delle principali aree di interesse per gli scienziati perché sono poco costosi, abbondante e leggera, e possono condurre la corrente in modi paragonabili ai semiconduttori inorganici, che sono fatti da ossidi metallici o silicio.

Ora, gli scienziati dei materiali del California NanoSystems Institute dell'UCLA hanno scoperto un modo per rendere i semiconduttori organici più potenti ed efficienti.

La loro svolta è stata la creazione di una struttura migliorata per un tipo di semiconduttore organico, un elemento costitutivo di un polimero conduttivo chiamato tetraanilina. Gli scienziati hanno dimostrato per la prima volta che i cristalli di tetraanilina possono essere coltivati ​​verticalmente.

Il progresso potrebbe alla fine portare a una tecnologia notevolmente migliorata per catturare l'energia solare. Infatti, potrebbe letteralmente rimodellare le celle solari. Gli scienziati potrebbero potenzialmente creare "antenne leggere", sottili, dispositivi a forma di palo che potrebbero assorbire la luce da tutte le direzioni, che sarebbe un miglioramento rispetto all'ampiezza di oggi, pannelli piatti che possono assorbire la luce solo da una superficie.

Lo studio, guidato da Richard Kaner, illustre professore di chimica e biochimica e scienza e ingegneria dei materiali, è stato recentemente pubblicato online dalla rivista ACS Nano .

Il team dell'UCLA ha coltivato i cristalli di tetraanilina verticalmente da un substrato, quindi i cristalli si ergevano come punte invece di rimanere piatti come fanno quando vengono prodotti utilizzando le tecniche attuali. Hanno prodotto i cristalli in una soluzione utilizzando un substrato di grafene, un nanomateriale costituito da grafite estremamente sottile, che misura lo spessore di un singolo atomo. Gli scienziati avevano precedentemente coltivato cristalli verticalmente in materiali semiconduttori inorganici, compreso il silicio, ma farlo con materiali organici è stato più difficile.

La tetraanilina è un materiale desiderabile per i semiconduttori a causa delle sue particolari proprietà elettriche e chimiche, che sono determinati dall'orientamento dei cristalli molto piccoli che contiene. Dispositivi come celle solari e fotosensori funzionano meglio se i cristalli crescono verticalmente perché i cristalli verticali possono essere impacchettati più densamente nel semiconduttore, rendendolo più potente e più efficiente nel controllo della corrente elettrica.

"Questi cristalli sono analoghi all'organizzazione di un tavolo coperto di matite sparse in un portapenne, " disse Yue "Jessica" Wang, un ex studente di dottorato dell'UCLA che ora è uno studioso post-dottorato presso la Stanford University ed è stato il primo autore dello studio. "L'orientamento verticale può far risparmiare molto spazio, e questo può significare più piccolo, elettronica personale più efficiente nel prossimo futuro."

Una volta che Kaner e i suoi colleghi hanno scoperto di poter guidare la soluzione di tetraanilina per far crescere cristalli verticali, hanno sviluppato un metodo in un'unica fase per crescere altamente ordinato, cristalli allineati verticalmente per una varietà di semiconduttori organici che utilizzano lo stesso substrato di grafene.

"La chiave era decifrare le interazioni tra semiconduttori organici e grafene in vari ambienti di solventi, " ha detto Wang. "Una volta compreso questo meccanismo complesso, crescere cristalli organici verticali è diventato semplice."

Kaner ha detto che i ricercatori hanno scoperto anche un altro vantaggio del substrato di grafene.

"Questa tecnica ci permette di modellare i cristalli dove vogliamo, " ha detto. "Potresti creare dispositivi elettronici da questi cristalli semiconduttori e farli crescere con precisione nei modelli intricati necessari per il dispositivo che desideri, come i transistor a film sottile o i diodi emettitori di luce".