Предложен метод повышения удельной проводимости органических полупроводников

Органические полупроводинки делают возможным производство гибких смартфонов, телеприемников с высоким разрешением, экранов мобильных устройств, одновременно служащих солнечными батареями. Но у них есть существенный недостаток — они не очень хорошо проводят электричество.

Группа ученых Стэндфордского университета под руководством профессора материаловедения Женань Бао (Zhenan Bao) предложила способ повышения удельной проводимости органических полупроводников в шесть раз, изменив структуру расположения молекул в кристаллах полупроводника. Метод «растягивания решетки» (straining the lattice) описан статье, опубликованной в журнале Nature.

На самом деле, растягивание полупроводника — метод не новый, он используется в современной кремниевой электронике, но получить стабильный растянутый органический полупроводник с небольшим расстоянием между молекулами удалось впервые.

В кремниевых полупроводниках соединения между атомами кремния растягиваются посредством химического связывания кремниевой пластины и подложки из атомов германия, далеко отстоящих друг от друга. Это улучшает мобильность свободных носителей заряда и снижает ток утечки, таким образом повышается электрическое КПД полупроводника. Ранее ученые пытались создать аналогичные органические структуры, выращивая кристаллы под давлением, но после нормализации давления кристаллическая решетка принимала обычную форму.

Для новых экспериментов ученые использовали хорошо изученный органический полупроводник TIPS-пентацен, который состоит из пяти колец ароматических углеводородов, соединенных в одну линию, и двух углеводородных «хвостов» с добавлением атомов кремния. Для достижения эффекта использовалась техника сдвига материала относительно подложки в растворе, которая применяется в промышленном производстве полупроводников.

В раствор оксида кремния был помещен нагревательный прибор и специальная двигательная установка, после чего добавлен полужидкий расплав TIPS-пентацена, который обладает свойством прилипать к металлической пластине. При движении последней происходит растяжение молекул полупроводника. В ходе экспериментов при разных скоростях движения пластины над поверхностью полупроводника замерялись проводимость TIPS-пентацена и другие физические свойства. При низких скоростях формировались равномерные решетки с растянутыми в направлении движения молекулами, при высоких скоростях структура созданного кристалла была неравномерной. Наибольшая эффективность растягивания наблюдалась при движении пластины со скоростью 2,8 мм/с, мобильность электронов вырастала в шесть раз.

Растянутый органический полупроводник с четкой структурой сохраняет стабильное состояние при механическом воздействии и температуре менее 160°С. Из полученного растянутого TIPS-пентацена было изготовлено несколько тонкопленочных транзисторов, которые оказались в 2,5 раза быстрее современных образцов и сохраняли свои свойства через месяц непрерывной работы.