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有机半导体导电性会受到水的影响

导读

据瑞典林雪平大学官网近日报道,该校研究人员发现,有机电子器件中的电荷运动速度会因为少量的水而显著降低。

背景

有机材料例如聚合物可以作为半导体。这项发现赢得了2000年诺贝尔化学奖。从那时起,有机电子领域的研究真正爆发,尤其是在林雪平大学。林雪平大学是这一领域中世界领先研究成果的聚集地。

林雪平大学有机电子实验室设计的热电有机晶体管(图片来源:Thor Balkhed)

林雪平大学有机电子实验室开发的基于n型有机电化学晶体管的互补逻辑电路(图片来源:Thor Balkhed)

林雪平大学有机电子实验室开发的基于纤维素的传感器。(图片来源:Thor Balkhed)

然而,有机半导体的导电效率,却比不上硅或者其他无机材料制成的半导体。科学家们发现,其中一个原因就是,在有机材料中形成的陷阱会困住载流子。全世界有几个研究小组一直致力于理解这些陷阱的位置,以及如何消除它们。

创新

当以正确的方式制造时,低质量的有机半导体可以变成高质量的半导体。瑞典林雪平大学科研人员在一篇发表在《自然材料(Nature Materials)》期刊上的论文中表示,有机电子器件中的电荷运动速度会因为少量的水而显著降低。

(图片来源:Charlotte Perhammar)

技术

林雪平大学复杂材料与器件部门的应用物理系教授 Martijn Kemerink 表示:“所有的有机半导体中都存在陷阱,但是它们大概在n型材料中的问题更大,因为这些材料总体上比p型材料的半导体性能更差。”

半导体中有两种载流子,即价带中的空穴(带正电)和导带中的电子(带负电),以电子导电为主的半导体称之为n型半导体,以空穴导电为主的半导体称为p型半导体。

Martijn Kemerink 及其在林雪平大学的同事们得出结论:水才是“罪魁祸首”。具体来说,水被认为出现在有机材料的纳米孔洞中,它是从环境中被吸收来的。

Martijn Kemerink 表示:“在p型材料中,水中的偶极子以它们的负端对着空穴的方式进行对齐,空穴带正电,并且整个系统的能量被降低。也许可以这么说,偶极子嵌入载流子,使得它们无法到处移动。”

对于n型材料来说,水中偶极子的朝向相反,但是效果却一样,电荷被困住。

实验是在材料被加热的情况下开展,加热的目的是使其变干,并使水分消失。材料在一段时间内工作得很好,但是后来又会重新从周围空气中吸收水分,由干燥带来的好处又逐渐消失。

“水越多,陷阱就越多。我们也展示了,制造出的薄膜越干,其导电性就越好。Mathieu Linares 的理论研究证实了我们的想法,结果令人非常满意。我们在《自然材料(Nature Materials)》期刊上的论文指出了如何排出水分,以及如何保持水分不再进来,从而制造出具有稳定导电性能的有机材料。”

在材料变干之后,为了防止水分重新进入到材料中,科学家们开发了一种去除空隙的方法,否则水分子会利用这些空隙进行渗透。这种方法是基于在合适的有机溶剂中加热材料。

价值

Martijn Kemerink 表示:“只要在干燥空气中制造这些半导体材料,那些之前被认为是极差的半导体材料,现在却变成良好的半导体。我们展示了干燥制备的材料倾向于保持干燥,而在湿润环境中制备的材料可进行脱水处理。然而,后者对于水特别敏感。我们测试所用的材料证明了这一点,但是没有迹象表明其他的有机半导体材料会表现得不同。”

· 2019-05-01 09:44  本新闻来源自:IntelligentThings,版权归原创方所有

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