Silicon Valley de California y Silicon Slopes de Utah llevan el nombre del elemento más asociado con los semiconductores, la columna vertebral de la revolución informática. Todo lo computarizado o electrónico depende de los semiconductores, una sustancia con propiedades que conducen la corriente eléctrica bajo ciertas condiciones. Los semiconductores tradicionales están hechos de materiales inorgánicos, como el silicio, que requieren grandes cantidades de agua y energía para producirse.
Durante años, los científicos han intentado crear alternativas respetuosas con el medio ambiente utilizando materiales orgánicos, como los polímeros. Los polímeros se forman uniendo pequeñas moléculas para formar largas cadenas. El proceso de polimerización evita muchos de los pasos que requieren mucha energía en la fabricación tradicional de semiconductores y utiliza mucha menos agua y menos gases y productos químicos.
También son baratos de fabricar y permitirían electrónica flexible, sensores portátiles y dispositivos biocompatibles que podrían introducirse dentro del cuerpo. El problema es que su conductividad, aunque buena, no es tan alta como la de sus homólogos inorgánicos.
Todos los materiales electrónicos requieren dopaje, un método para infundir moléculas en semiconductores para aumentar la conductividad. Los científicos utilizan moléculas llamadas dopantes para definir las partes conductoras de los circuitos eléctricos. El dopaje en materiales orgánicos ha molestado a los científicos debido a una falta de consistencia:a veces los dopantes mejoran la conductividad mientras que otras veces la empeoran.
En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Utah y la Universidad de Massachusetts Amherst han descubierto la física que impulsa las interacciones entre dopantes y polímeros que explican el problema de la conductividad inconsistente.
El equipo descubrió que los portadores cargados positivamente extraen dopantes cargados negativamente de las cadenas de polímeros, impidiendo el flujo de corriente eléctrica y reduciendo la conductividad del material. Sin embargo, sus experimentos revelaron que cuando se inyectaban suficientes dopantes en el sistema, el comportamiento de los electrones cambiaba para actuar como una pantalla colectiva contra las fuerzas de atracción, permitiendo que el resto de los electrones fluyeran sin obstáculos.
"El caso ideal sería descargar un montón de electrones libres en el material para realizar el trabajo de conducción. Por supuesto, no podemos, tenemos que usar moléculas para suministrar los electrones", dijo Zlatan Akšamija, profesor asociado de materiales. ciencia e ingeniería en la U y autor principal del estudio. "Nuestro siguiente paso es encontrar combinaciones de dopante/material orgánico que puedan debilitar esa interacción y aumentar aún más la conductividad. Pero hasta ahora no entendíamos esa interacción lo suficientemente bien como para poder abordarla".
El estudio se publica en la revista Physical Review Letters. .
La electricidad es un flujo de electrones. El silicio por sí solo es un mal conductor:cuatro electrones en el orbital externo forman enlaces covalentes perfectos con átomos de silicio cercanos, sin dejar electrones libres. Aquí es donde entra en juego el dopaje. Agregar una impureza al silicio puede hacer dos cosas:contribuir con electrones adicionales al sistema o reducir los electrones en el sistema, creando portadores cargados positivamente llamados agujeros.
Por ejemplo, el arsénico es un dopante común porque tiene cinco electrones en su orbital exterior:cuatro se unirán al silicio y el quinto permanecerá libre. Con el tiempo, los dopantes aportarán suficientes electrones libres para permitir que fluya una corriente eléctrica a través del silicio.
A diferencia del silicio, los materiales orgánicos tienen una estructura desordenada en sus cadenas poliméricas, lo que resulta en interacciones complicadas entre los electrones adicionales del dopante y el material polimerizado, explicó Akšamija.
"Imagínese que los polímeros son un plato de espaguetis. En realidad, no se apilan perfectamente. Debido a eso, los electrones se ven obligados a saltar de una parte del polímero a otra y a la siguiente cadena, impulsados por el voltaje", dijo.
Cada dopante aporta un electrón al sistema a la vez, lo que significa que, al principio, los electrones que saltan a través del polímero se diluyen. Si un electrón salta a lo largo de la cadena y pasa cerca de un dopante, las cargas opuestas se atraerán entre sí y harán que el electrón se desvíe de su curso e interrumpa la corriente eléctrica.
La revelación de este estudio fue encontrar que este comportamiento cambia con una masa crítica de electrones en el sistema:cuando se pasa un umbral, la multitud de electrones responde colectivamente. Cuando un grupo de electrones pasa por un dopante, algunos son atraídos hacia la carga y crean una pantalla que impide que el resto de los electrones sientan la interacción.
"Y ahí es donde la detección realmente hace el trabajo de bloquear los dopantes. Los portadores están eliminando los dopantes, lo que facilita que otros portadores salten de manera más eficiente. Este documento describe el mecanismo físico por el cual esto sucede", dijo Akšamija.
Los químicos de la UMass Amherst realizaron los experimentos físicos. Utilizaron dos tipos de polímeros que tenían estructuras cada vez menos desordenadas. Luego utilizaron un disolvente y lo recubrieron sobre una fina capa de vidrio. Luego doparon el polímero con vapores de yodo. Un beneficio del yodo es que es inestable:con el tiempo, el polímero pierde gradualmente moléculas dopantes por evaporación.
"Esto fue útil para los experimentos porque podemos seguir midiendo la conductividad del polímero durante un período de 24 o 48 horas. Este protocolo nos da una curva de conductividad en función de cuántos dopantes quedan en el material", dijo Dhandapani Venkataraman. , profesor de química en UMASS Amherst y coautor del estudio.
"Es un buen truco obtener acceso a casi cuatro órdenes de magnitud de carga en conductividad desde concentraciones bajas, medias versus altas de dopantes... hasta llegar esencialmente a su estado aislante prístino original".
Los químicos realizaron experimentos con dos versiones diferentes del mismo polímero:una más regular y otra más desordenada. Luego pudieron comparar la conductividad de los dos polímeros a medida que cambiaba la concentración de dopante.
"Al principio, estábamos desconcertados por algunos de los resultados experimentales, especialmente cuando teníamos una gran cantidad de dopantes. Esperábamos que el polímero desordenado fuera muy inferior al polímero ordenado en todas las concentraciones de dopantes. Pero ese no fue el caso", dijo Venkataraman.
El grupo de investigación de Akšamija se centró en las interacciones de los materiales. Pudieron contrastar las diferentes instancias del mismo polímero con cantidades mayores o menores de desorden para discernir dónde se estaba realizando la detección.
Este comportamiento de detección nunca se había considerado parte de los sistemas semiconductores orgánicos, por lo que sacaron papel y lápices para comprender cómo interactúan las moléculas y las cargas utilizando los primeros principios de la física:¿Cuál es la ecuación subyacente que gobierna la interacción de las cargas? El laboratorio de Akšamija empezó allí y lo volvió a construir. Luego tradujeron las fórmulas a un código que simulaba el salto de electrones en presencia de dopantes y al mismo tiempo incluía el comportamiento de detección.
"Finalmente habíamos convergido hasta el punto en que las simulaciones por computadora realmente pueden capturar los experimentos, no sólo cualitativamente, sino realmente cuantitativamente. La única manera de alinear la simulación y los experimentos fue cuando incluimos este efecto de detección", dijo Akšamija.
Actualmente, los autores están empleando inteligencia artificial para ayudar a descubrir nuevas combinaciones de polímeros y dopantes que podrían producir la mayor conductividad.
Más información: Muhamed Duhandžić et al, Carrier Screening Controls Transport in Conjugated Polymers at High Doping Concentrations, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.248101. EnarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.03726
Proporcionado por la Universidad de Utah
