Точное химическое легирование органических полупроводников в водном растворе

Схема, иллюстрирующая механизм недавно разработанного метода химического легирования и графика, показывающего, как изменения в рН раствора могут использоваться для контроля уровней легирования органических полупроводниковых тонких пленок.Кредит: Yu Yamashita Национальный институт материаловедения

Исследовательская группа, состоящая из NIMS, Университета Токио и Токийского научного университета, разработала первую в мире методику, способную точно допировать органический полупроводник в водном решении, не требуя вакуума или атмосферы азота с использованием специального оборудования.

Эта техника, которая использует воду, ранее неразборчивую для этой цели, может вызвать прорыв или даже сдвиг парадигмы.Исследование опубликовано в журнале Nature.

Химическое легирование является важным процессом в производстве полупроводниковых устройств.Допинг органических полупроводников включает в себя использование окислительно -восстановительных агентов.Поскольку эффективные окислительно -восстановительные агенты подвержены реагированию с водой и/или кислородом, с ними необходимо обрабатывать в вакууме или атмосфере азота, созданной с использованием специального оборудования.Кроме того, эти методы допинга не позволяют точную, последовательную корректировку допинга.

Эти проблемы уже давно стали основными препятствиями для технологических достижений в органической полупроводниковой промышленности.

Исследовательская группа недавно разработала технику химического легирования, которая использует окислительно -восстановительные реакции между бензохиноном и гидрохиноном в водном растворе в условиях окружающей среды.Скорость этих окислительно -восстановительных реакций может контролировать кислотностью раствора (то есть pH) - механизм, также обнаруженный в цепях транспортировки электронов в фотосинтезе.

Команда достигла химического легирования органических полупроводниковых тонких пленок, погрузив их в водный раствор, содержащий бензохинон, гидрохинон и гидрофобные ионы.

Кроме того, команда смогла точно и последовательно контролировать уровни легирования, изменяя рН раствора, что привело к производству полупроводников с широким диапазоном электрической проводимости - примерно пять порядков различий между минимальной и максимальной проводимостьюПолем

Гибкие, легкие органические полупроводники могут использоваться в качестве материалов, подходящих для струйной печати и других недорогих процессов печати.Техника химического легирования может использоваться для продвижения промышленного производства гибких органических пленок, включая датчики, электронные схемы, дисплеи и солнечные элементы.

Доказательство концепции для тонкопленочного датчика pH было также продемонстрировано с использованием этой новой методики, которая предполагает возможности для здравоохранения и применения в области биосенсирования.

Больше информации: Масаки Исии и др., Допинг молекулярных полупроводников посредством переноса электронов, связанного с протон, природа (2023).Doi: 10.1038/s41586-023-06504-8