Diseño racional de polímeros semiconductores orgánicos transportadores de electrones y su análisis de película delgada y rendimiento de transistores. Crédito: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) informan sobre un transistor unipolar tipo n con un rendimiento de movilidad de electrones revolucionario de hasta 7,16 cm 2 V -1 s -1 . Este logro presagia un futuro apasionante para la electrónica orgánica, incluido el desarrollo de pantallas flexibles innovadoras y tecnologías portátiles.
Investigadores de todo el mundo están buscando materiales novedosos que puedan mejorar el rendimiento de los componentes básicos necesarios para desarrollar la electrónica orgánica.
Ahora, un equipo de investigación del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Tokyo Tech, que incluye a Tsuyoshi Michinobu y Yang Wang, informa sobre una forma de aumentar la movilidad electrónica de los polímeros semiconductores, que previamente han demostrado ser difíciles de optimizar. Su material de alto rendimiento consigue una movilidad electrónica de 7,16 cm2 V-1 s-1, lo que representa un aumento de más del 40 por ciento sobre los resultados comparables anteriores.
En su estudio publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , se centraron en mejorar el rendimiento de materiales conocidos como polímeros semiconductores de tipo n. Estos materiales de tipo n (negativos) son dominantes en electrones, en contraste con los materiales de tipo p (positivos) que dominan el agujero. "Como los radicales con carga negativa son intrínsecamente inestables en comparación con los que tienen carga positiva, la producción de polímeros semiconductores de tipo n estables ha sido un desafío importante en la electrónica orgánica, "Explica Michinobu.
Por lo tanto, la investigación aborda tanto un desafío fundamental como una necesidad práctica. Wang señala que muchas células solares orgánicas, por ejemplo, están hechos de polímeros semiconductores de tipo p y derivados de fullereno de tipo n. El inconveniente es que estos últimos son costosos, difícil de sintetizar e incompatible con dispositivos flexibles. "Para superar estas desventajas, " él dice, "Los polímeros semiconductores de tipo n de alto rendimiento son muy deseados para avanzar en la investigación sobre células solares totalmente poliméricas".
Investigadores (izquierda:Tsuyoshi Michinobu, derecha:Yang Wang) fabricando transistores de película fina. Crédito:Tsuyoshi Michinobu, Yang Wang
El método del equipo implicó el uso de una serie de nuevos derivados de poli (benzotiadiazol-naftalenodiimida) y el ajuste fino de la conformación de la columna vertebral del material. Esto fue posible gracias a la introducción de puentes de vinileno capaces de formar enlaces de hidrógeno con los átomos vecinos de flúor y oxígeno. La introducción de estos puentes de vinileno requirió una hazaña técnica para optimizar las condiciones de reacción.
En general, el material resultante tenía un orden de empaquetamiento molecular mejorado y una mayor resistencia, lo que contribuyó al aumento de la movilidad de los electrones.
Utilizando técnicas como la dispersión de rayos X de gran angular con incidencia rasante (GIWAXS), los investigadores confirmaron que lograron una distancia de apilamiento π-π extremadamente corta de solo 3,40 angstrom. "Este valor se encuentra entre los más cortos para los polímeros semiconductores orgánicos de alta movilidad, "dice Michinobu.
Hay varios desafíos pendientes. "Necesitamos optimizar aún más la estructura de la red troncal, ", continúa". Al mismo tiempo, Los grupos de cadenas laterales también juegan un papel importante en la determinación de la cristalinidad y la orientación de empaquetamiento de los polímeros semiconductores. Todavía tenemos margen de mejora ".
Wang señala que los niveles más bajos de orbitales moleculares desocupados (LUMO) se ubicaron entre -3,8 y -3,9 eV para los polímeros informados. "A medida que los niveles de LUMO más profundos conducen a un transporte de electrones más rápido y estable, otros diseños que introducen sp2-N, átomos de flúor y cloro, por ejemplo, podría ayudar a alcanzar niveles de LUMO aún más profundos, " él dice.
En el futuro, Los investigadores también tendrán como objetivo mejorar la estabilidad del aire de los transistores de canal n, un tema crucial para realizar aplicaciones prácticas que incluirían circuitos lógicos complementarios de semiconductores de óxido de metal (CMOS), células solares de polímero, fotodetectores orgánicos y termoeléctricos orgánicos.
