La luce e l’aria migliorano la conduttività dei semiconduttori polimerici

Il drogaggio di semiconduttori come il silicio con elementi accuratamente selezionati che ne modificano le proprietà costituisce la base di tutta l’elettronica. I ricercatori hanno ora utilizzato aria e luce per drogare semiconduttori organici (natura 2024, ID digitale: 10.1038/s41586-024-07400-5). Il loro semplice metodo di attivazione a temperatura ambiente rappresenta un passo avanti verso l’elettronica organica ad alte prestazioni e a basso costo.

I dispositivi elettronici basati su semiconduttori organici promettono di essere leggeri, flessibili e facili da realizzare. I materiali in genere hanno una bassa conduttività, quindi il doping è fondamentale per aumentare le prestazioni. Mentre il silicone è drogato con parti per milione di sostanze chimiche, i materiali organici richiedono parti molto più grandi, rendendo i prodotti organici drogati “più simili a un composto”, afferma. Simone Fabiano, un chimico dell’Università di Linköping. Questa configurazione presenta degli inconvenienti. Materiali simili non reattivi possono fondersi per formare isole non conduttive, deteriorando le proprietà elettroniche e strutturali del materiale.

Fabiano e colleghi hanno considerato il doping utilizzando un catalizzatore attivato dalla luce invece del doping chimico. I fotocatalizzatori vengono utilizzati nella sintesi organica per le reazioni redox, in cui i catalizzatori trasferiscono gli elettroni da una molecola all’altra. “Il doping è fondamentalmente un processo di ossidazione o riduzione”, afferma.

I ricercatori hanno scelto fotocatalizzatori a base di acridinio disponibili in commercio. La loro scelta dipende dal fatto che stiano realizzando un semiconduttore di tipo n, pieno di elettroni per la conduzione, o un semiconduttore di tipo p, caricato con cariche positive.

Per il doping, il team ha immerso diversi film polimerici semiconduttori in una soluzione fotocatalitica e li ha illuminati con luce blu in presenza di aria. Il catalizzatore assorbe energia dalla luce e trasferisce gli elettroni dai polimeri all’ossigeno presente nell’aria, creando cariche positive nel polimero. La conduttività dei polimeri è passata da meno di 0,0001 Siemens/cm a centinaia di Siemens per centimetro dopo 10 minuti di esposizione alla luce. Un polimero ha raggiunto 3000 S/cm.

Quando i ricercatori hanno aggiunto trietilammina come drogante alla soluzione e hanno irradiato luce ultravioletta in presenza di azoto puro, il fotocatalizzatore ha trasferito gli elettroni dal drogante al polimero. La conduttività del risultante polimero drogato con n è aumentata di oltre cinque ordini di grandezza dopo 2 minuti di irradiazione. Il team ha scoperto che era anche possibile creare simultaneamente semiconduttori drogati n e p. Per fare ciò, i ricercatori hanno immerso pellicole composte da due diversi tipi di semiconduttori in una soluzione fotocatalitica e le hanno esposte alla luce. Il catalizzatore trasferisce gli elettroni da un film all’altro. Fabiano afferma che i ricercatori ora intendono approfondire il meccanismo alla base del doping e vedere se è possibile estenderlo ad altri semiconduttori organici.

“Questo nuovo approccio al doping elettrico che coinvolge la fotoeccitazione e l’uso di fotocatalizzatori è creativo e innovativo”, afferma. Bernard J. Kiplin, esperto di optoelettronica organica presso il Georgia Institute of Technology. La stabilità del doping richiederà indagini più dettagliate, così come la praticità e la scalabilità del processo, ma “per ora, questo documento indica una nuova grande scoperta”, afferma.