Los físicos de Cavendish han descubierto dos nuevas formas de mejorar los semiconductores orgánicos. Encontraron una manera de eliminar más electrones del material de lo que antes era posible y aprovecharon las propiedades inesperadas del medio ambiente, conocidas como estados de no equilibrio, aumentando su eficacia para su uso en dispositivos electrónicos.
“Realmente queríamos precisar y comprender qué sucede cuando se dopa fuertemente un polímero semiconductor. La capacidad de transportar corriente eléctrica”, dijo el Dr. Dionysius Tozhe, investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Cavendish.
Dr. en un artículo de investigación publicado recientemente Materiales de la naturalezaTjhe y sus colegas detallan cómo estos nuevos conocimientos pueden ayudar a mejorar el rendimiento de los semiconductores dopados.
Bandas de energía a niveles de dopaje sin precedentes
Los electrones de los sólidos están organizados en bandas de energía. La banda de energía más alta, conocida como banda de valencia, controla muchas propiedades físicas importantes, como la conductividad eléctrica y los enlaces químicos. El dopaje en semiconductores orgánicos se logra eliminando una pequeña fracción de electrones de la banda de valencia. Los agujeros, en ausencia de electrones, pueden entonces fluir y conducir electricidad.
“Tradicionalmente, en un semiconductor orgánico sólo se eliminan entre el diez y el veinte por ciento de los electrones de la banda de valencia, lo que ya es mucho más alto que el nivel de partes por millón típico de los semiconductores de silicio”, afirma Tjhe. “En los dos polímeros que estudiamos pudimos vaciar completamente la banda de valencia. Lo más sorprendente es que en uno de estos materiales pudimos ir más allá y eliminar electrones de la banda inferior. ¡Esto puede lograrse por primera vez!”
Curiosamente, la conductividad es significativamente mayor en la banda de valencia más profunda, en comparación con la superior. “La esperanza es que el transporte de carga a niveles de energía profundos pueda eventualmente conducir a dispositivos termoeléctricos de alta potencia. Estos convierten el calor en electricidad”, dijo el Dr. Jinglong Ren, investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Cavendish y coprimer autor del estudio. . “Al encontrar materiales con mayor potencia de salida, podemos convertir nuestro calor residual en electricidad y convertirlo en una fuente de energía más eficiente”.
¿Por qué se observó este material?
Aunque los investigadores creen que el vaciado de la banda de valencia debería ser posible en otros materiales, este efecto quizás se observe más fácilmente en los polímeros. “Creemos que la forma en que están dispuestas las bandas de energía en nuestro polímero, así como la naturaleza desordenada de la cadena del polímero, nos permite hacer esto”, dijo Tjhe.. “Por el contrario, es menos probable que otros semiconductores, como el silicio, presenten estos efectos, porque es más difícil vaciar la banda de valencia en estos materiales. Comprender cómo reproducir este resultado en otros materiales es un siguiente paso importante. Es un momento emocionante para nosotros”.
¿Existen otras formas de aumentar el rendimiento termoeléctrico?
El dopaje provoca un aumento del número de agujeros, pero también aumenta el número de iones, lo que limita la energía. Afortunadamente, los investigadores pueden controlar la cantidad de agujeros sin afectar la cantidad de iones utilizando un electrodo conocido como puerta de efecto de campo.
“Usando puertas de efecto de campo, descubrimos que podíamos ajustar la densidad de los agujeros, y esto condujo a resultados muy diferentes”, explicó el Dr. Ian Jacobs, investigador de la Royal Society University en el Laboratorio Cavendish. “La conductividad es generalmente proporcional al número de agujeros, aumentando cuando el número de agujeros aumenta y disminuyendo cuando se eliminan. Esto se observa cuando cambiamos el número de agujeros añadiendo o eliminando iones. Sin embargo, cuando se utilizan puertas de efecto de campo , Vemos un efecto diferente
Usar energía en condiciones de no equilibrio.
Los investigadores pudieron atribuir estos efectos inesperados a la «brecha de Coulomb», un fenómeno bien conocido, aunque rara vez observado, en semiconductores desordenados. Curiosamente, este efecto desaparece a temperatura ambiente y se restablece la tendencia esperada.
“Los espacios de Coulomb son notoriamente difíciles de observar en mediciones eléctricas, ya que sólo se vuelven visibles cuando el material no puede encontrar su configuración más estable”, añadió Jacobs. “Por otro lado, pudimos observar estos efectos a temperaturas mucho más altas de lo esperado, sólo -30 grados centígrados”.
“Resulta que en nuestro material los iones tienden a congelarse; esto puede ocurrir a temperaturas relativamente altas”, dijo Ren. “Si agregamos o eliminamos electrones mientras los iones están congelados, el material está en un estado de equilibrio. A los iones les gusta reorganizar y estabilizar el sistema, pero no pueden porque están congelados. Esto nos permite ver la brecha de Coulomb “.
Generalmente existe un equilibrio entre la producción de energía termoeléctrica y la conductividad: una aumenta mientras la otra disminuye. Sin embargo, debido a la brecha de Coulomb y los efectos de desequilibrio, ambos se pueden aumentar juntos, lo que significa que se puede mejorar el rendimiento. La única limitación es que actualmente las puertas de efecto de campo sólo afectan a la superficie del material. Si una mayor parte del material puede verse afectada, aumentará la resistencia y la conductividad en mayor grado.
Aunque el grupo todavía tiene trabajo por hacer, el documento describe un enfoque claro para mejorar el rendimiento de los semiconductores orgánicos. Con un potencial apasionante en el campo energético, el grupo ha dejado la puerta abierta a una mayor investigación de estas propiedades. “El transporte en estos estados de desequilibrio ha demostrado una vez más ser un camino prometedor hacia mejores dispositivos termoeléctricos orgánicos”, afirma Tjhe.