Un descubrimiento de un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Princeton, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Humboldt de Berlín señalan el camino hacia un uso más generalizado de una tecnología avanzada generalmente conocida como electrónica orgánica.

La investigación, publicado el 13 de noviembre en la revista Materiales de la naturaleza , se centra en semiconductores orgánicos, una clase de materiales apreciados por sus aplicaciones en tecnologías emergentes como la electrónica flexible, conversión de energía solar, y pantallas en color de alta calidad para teléfonos inteligentes y televisores. A corto plazo, El avance debería ayudar particularmente con los diodos emisores de luz orgánicos que operan a alta energía para emitir colores como el verde y el azul.

"Los semiconductores orgánicos son materiales ideales para la fabricación de dispositivos mecánicamente flexibles con procesos de baja temperatura que ahorran energía, "dijo Xin Lin, estudiante de doctorado y miembro del equipo de investigación de Princeton. "Una de sus principales desventajas ha sido su conductividad eléctrica relativamente baja, lo que conduce a dispositivos ineficientes con una vida útil más corta que la requerida para aplicaciones comerciales. Estamos trabajando para mejorar las propiedades eléctricas de los semiconductores orgánicos para que estén disponibles para más aplicaciones ".

Semiconductores, típicamente hecho de silicio, son la base de la electrónica moderna porque los ingenieros pueden aprovechar sus propiedades únicas para controlar las corrientes eléctricas. Entre muchas aplicaciones, los dispositivos semiconductores se utilizan para la informática, amplificación y conmutación de señales. Se utilizan en dispositivos de ahorro de energía como diodos emisores de luz y dispositivos que convierten energía como células solares.

Esencial para estas funcionalidades es un proceso llamado dopaje, en el que la composición química del semiconductor se modifica mediante la adición de una pequeña cantidad de sustancias químicas o impurezas. Al elegir cuidadosamente el tipo y la cantidad de dopante, los investigadores pueden alterar la estructura electrónica y el comportamiento eléctrico de los semiconductores de diversas formas.

En su reciente artículo de Nature Materials, los investigadores describen un nuevo enfoque para aumentar en gran medida la conductividad de los semiconductores orgánicos, que están formados por moléculas basadas en carbono en lugar de átomos de silicio. El dopante, un compuesto que contiene rutenio, es un agente reductor, lo que significa que agrega electrones al semiconductor orgánico como parte del proceso de dopaje. La adición de electrones es la clave para aumentar la conductividad del semiconductor. El compuesto pertenece a una clase de dopantes recién introducidos llamados dopantes organometálicos diméricos. A diferencia de muchos otros agentes reductores potentes, Estos dopantes son estables cuando se exponen al aire, pero aún funcionan como fuertes donantes de electrones tanto en solución como en estado sólido.

Seth Marder y Steve Barlow de Georgia Tech, quien lideró el desarrollo del nuevo dopante, llamó al compuesto de rutenio un "dopante hiperreductor". Dijeron que es inusual no solo su combinación de fuerza de donación de electrones y estabilidad del aire, pero en su capacidad para trabajar con una clase de semiconductores orgánicos que anteriormente habían sido muy difíciles de adulterar. En estudios realizados en Princeton, los investigadores encontraron que el nuevo dopante aumentaba la conductividad de estos semiconductores alrededor de un millón de veces.

El compuesto de rutenio es un dímero, lo que significa que consta de dos moléculas idénticas, o monómeros, conectado por un enlace químico. Como es, el compuesto es relativamente estable y, cuando se agrega a estos semiconductores difíciles de dopar, no reacciona y permanece en su estado de equilibrio. Eso planteó un problema porque para aumentar la conductividad del semiconductor orgánico, el dímero de rutenio necesita dividirse y liberar sus dos monómeros idénticos.

Lin, el estudiante de doctorado de Princeton que fue el autor principal del artículo de Nature Materials, dijo que los investigadores buscaron diferentes formas de romper el dímero de rutenio y activar el dopaje. Finalmente, él y Berthold Wegner, un estudiante graduado visitante del grupo de Norbert Koch en la Universidad Humboldt, golpear al agregar energía irradiando con luz ultravioleta, que efectivamente excitó moléculas en el semiconductor e inició la reacción. Bajo exposición a la luz los dímeros se dividen en monómeros, y la conductividad se elevó.

Después, los investigadores hicieron una observación interesante.

"Una vez que se apaga la luz, uno podría esperar ingenuamente que ocurriera la reacción inversa "y que el aumento de conductividad desapareciera, Marder dijo en un correo electrónico. "Sin embargo, Este no es el caso."

Los investigadores encontraron que los monómeros de rutenio permanecían aislados en el semiconductor _ aumentando la conductividad _ a pesar de que la termodinámica debería devolver las moléculas a su configuración original como dímeros. Antoine Kahn, un profesor de Princeton que dirige el equipo de investigación, dijo que el diseño físico de las moléculas dentro del semiconductor dopado proporciona una respuesta probable a este rompecabezas. La hipótesis es que los monómeros se encuentran dispersos en el semiconductor de tal manera que les resulta muy difícil volver a su configuración original y volver a formar el dímero de rutenio. Reformar, él dijo, los monómeros deben estar orientados en la orientación correcta, pero en la mezcla quedan torcidos. Entonces, aunque la termodinámica muestra que los dímeros deberían reformarse, la mayoría nunca se vuelven a juntar.

"La pregunta es por qué estas cosas no vuelven a estar juntas en equilibrio, "dijo Kahn, el Profesor Stephen C. Macaleer '63 de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. "La respuesta es que están atrapados cinéticamente".

De hecho, los investigadores observaron el semiconductor dopado durante más de un año y encontraron muy poca disminución en la conductividad eléctrica. También, observando el material en diodos emisores de luz fabricados por el grupo de Barry Rand, profesor asistente de ingeniería eléctrica en Princeton y el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente, Los investigadores descubrieron que el dopaje se reactivaba continuamente por la luz producida por el dispositivo.

La luz activa más el sistema, lo que conduce a una mayor producción de luz y más activación hasta que el sistema está completamente activado, Dijo Marder. "Esto por sí solo es una observación novedosa y sorprendente".