Urządzenie służące do pomiaru właściwości półprzewodników. Źródło: dr Martin Statzs, laboratorium Sirringhaus
Naukowcy udoskonalili produkty organiczne półprzewodniki poprzez osiągnięcie przełomowego usuwania elektronów i wykorzystanie właściwości stanu nierównowagowego, potencjalnie zwiększając wydajność urządzeń termoelektrycznych.
Fizycy z Cavendish odkryli dwa nowe sposoby udoskonalania półprzewodników organicznych. Znaleźli sposób na usunięcie z materiału większej liczby elektronów niż było to wcześniej możliwe i wykorzystali nieoczekiwane właściwości w środowisku znanym jako stan nierównowagowy, zwiększając jego wydajność pod kątem zastosowań w urządzeniach elektronicznych.
„Naprawdę chcieliśmy trafić w sedno i dowiedzieć się, co się dzieje, gdy mocno domieszkuje się półprzewodniki polimerowe” – powiedział dr Dionisius Tjhe, pracownik naukowy podoktorski w Cavendish Laboratory. Doping to proces usuwania lub dodawania elektronów do półprzewodnika, zwiększając jego zdolność do przenoszenia prądu elektrycznego.
W niedawnym artykule opublikowanym w Materiały naturyTjhe i jego współpracownicy szczegółowo opisują, w jaki sposób te nowatorskie spostrzeżenia mogą być pomocne w poprawie wydajności domieszkowanych półprzewodników.
Pasma energetyczne na niespotykanym dotąd poziomie dopingu
Elektrony w ciałach stałych są zorganizowane w pasma energii. Pasmo o najwyższej energii, zwane pasmem walencyjnym, kontroluje wiele ważnych właściwości fizycznych, takich jak przewodność elektryczna i wiązania chemiczne. Domieszkowanie półprzewodników organicznych uzyskuje się poprzez usunięcie niewielkiej części elektronów z pasma walencyjnego. Dziury, czyli brak elektronów, mogą wówczas przepływać i przewodzić prąd.
Opróżnianie pasm walencyjnych i głębszych pasm walencyjnych poprzez doping. Źródło: Laboratorium Sirringhaus
„Tradycyjnie usuwane jest jedynie dziesięć do dwudziestu procent elektronów z pasma walencyjnego półprzewodników organicznych, a to już znacznie więcej niż poziomy części na milion typowe dla półprzewodników krzemowych” – powiedział Tjhe. „W dwóch badanych przez nas polimerach udało nam się całkowicie opróżnić pasmo walencyjne. Co bardziej zaskakujące, w jednym z tych materiałów możemy pójść jeszcze dalej i usunąć elektrony z poniższego pasma. To może być pierwszy taki sukces!”
Co ciekawe, przewodność jest znacznie większa w głębszym paśmie walencyjnym w porównaniu do górnego. „Mamy nadzieję, że transport ładunku na głębokich poziomach energii może ostatecznie doprowadzić do powstania urządzeń termoelektrycznych o większej mocy. Przekształcają one ciepło w energię elektryczną” – powiedział dr Xinglong Ren, pracownik naukowy podoktorski w Cavendish Laboratory i współpierwszy autor badania. „Wynajdując materiały o wyższej mocy wyjściowej, możemy przekształcić więcej ciepła odpadowego w energię elektryczną i uczynić ją bardziej opłacalnym źródłem energii”.
Dlaczego zaobserwowano to w tym materiale?
Chociaż naukowcy uważają, że opróżnianie pasma walencyjnego powinno być możliwe w innych materiałach, efekt ten jest chyba najłatwiejszy do zaobserwowania w polimerach. „Uważamy, że pozwala nam na to sposób ułożenia pasm energetycznych w naszym polimerze, a także nieuporządkowany charakter łańcuchów polimeru” – powiedział Tjhe. „Z drugiej strony inne półprzewodniki, takie jak krzem, prawdopodobnie rzadziej powodują takie efekty, ponieważ w tych materiałach trudniej jest opróżnić pasmo walencyjne. Następnym kluczowym krokiem jest zrozumienie, jak odtworzyć ten wynik w innych materiałach. To dla nas ekscytujący czas.”
Czy istnieje inny sposób na zwiększenie wydajności termoelektrycznej?
Doping prowadzi do wzrostu liczby dziur, ale zwiększa także liczbę jonów, co ogranicza moc. Na szczęście badacze mogą kontrolować liczbę dziur bez wpływu na liczbę jonów, używając elektrody zwanej bramką polową.
„Korzystając z bramki efektu polowego, odkryliśmy, że możemy regulować gęstość dziur, co doprowadziło do bardzo różnych wyników” – wyjaśnił dr Ian Jacobs, pracownik naukowy Uniwersytetu Królewskiego w Cavendish Laboratory. „Przewodność jest zwykle proporcjonalna do liczby dziur i rośnie, gdy liczba dziur jest zwiększana, a maleje, gdy są one usuwane. Obserwuje się to, gdy zmieniamy liczbę dziur poprzez dodawanie lub usuwanie jonów. Jednak stosując bramkę efektu polowego, widzimy inny efekt. Dodawanie lub usuwanie otworów zawsze powoduje wzrost przewodności!”
Wykorzystanie siły stanu nierównowagowego
Naukowcom udało się powiązać te nieoczekiwane efekty z „przerwą kulombowską”, dobrze znaną, choć rzadko obserwowaną cechą nieuporządkowanych półprzewodników. Co ciekawe, efekt ten zanika w temperaturze pokojowej i powraca oczekiwany trend.
„Przerwy kulombowskie są niezwykle trudne do zaobserwowania w pomiarach elektrycznych, ponieważ stają się widoczne dopiero wtedy, gdy materiał nie jest w stanie znaleźć swojej najbardziej stabilnej konfiguracji” – dodał Jacobs. „Z drugiej strony byliśmy w stanie zaobserwować te efekty w temperaturach znacznie wyższych niż oczekiwano, zaledwie około -30°C”.
„Okazuje się, że w naszym materiale jony zamarzają; może się to zdarzyć w stosunkowo wysokich temperaturach” – powiedział Ren. „Jeśli dodamy lub usuniemy elektrony, gdy jony zostaną zamrożone, materiał będzie w stanie nierównowagi. Jony wolałyby przeorganizować i ustabilizować układ, ale nie mogą, bo są zamrożone. To pozwala nam zobaczyć lukę kulombowską.”
Zwykle istnieje kompromis pomiędzy mocą termoelektryczną a przewodnością, jedna wzrasta, a druga maleje. Jednak ze względu na lukę kulombowską i efekty braku równowagi oba elementy można zwiększyć razem, co oznacza, że można poprawić wydajność. Jedynym ograniczeniem jest to, że bramka polowa wpływa obecnie tylko na powierzchnię materiału. Jeżeli można naruszyć większość materiału, moc i przewodność wzrosną do jeszcze większych wartości.
Chociaż grupa nadal ma przed sobą pewne postępy, w artykule badawczym przedstawiono jasną metodę poprawy wydajności półprzewodników organicznych. Mając ekscytujące perspektywy w dziedzinie energii, grupa pozostawiła otwarte drzwi do dalszych badań tych właściwości. „Transport w tych stanach nierównowagowych po raz kolejny okazał się obiecującą drogą w zakresie lepszych organicznych urządzeń termoelektrycznych” – powiedział Tjhe.
Odniesienie: „Transport nierównowagowy w mieszanych polimerowych przewodnikach jonowo-elektronicznych przy ultrawysokich gęstościach ładunku” Dionisius HL Tjhe, Xinglong Ren, Ian E. Jacobs, Gabriele D’Avino, Tarig BE Mustafa, Thomas G. Marsh, Lu Zhang, Yao Fu, Ahmed E. Mansour, Andreas Opitz, Yuxuan Huang, Wenjin Zhu, Ahmet Hamdi Unal, Sebastiaan Hoek, Vincent Lemaur, Claudio Quarti, Qiao He, Jin-Kyun Lee, Iain McCulloch, Martin Heeney, Norbert Koch, Clare P. Gray , David Beljonne, Simone Fratini i Henning Sirringhaus, 26 lipca 2024 r., Materiały natury.
DOI: 10.1038/s41563-024-01953-6
