Leistungssteigerung organischer Halbleiter

Physiker der Cavendish University haben zwei neue Möglichkeiten zur Verbesserung organischer Halbleiter entdeckt. Sie fanden einen Weg, mehr Elektronen aus dem Material zu entfernen als bisher möglich, und nutzten unerwartete Eigenschaften in einer Umgebung, die als Nichtgleichgewichtszustand bekannt ist, um die Leistungsfähigkeit des Materials für den Einsatz in elektronischen Geräten zu steigern.

„Wir wollten wirklich den Nagel auf den Kopf treffen und herausfinden, was passiert, wenn man Polymerhalbleiter stark dotiert“, sagte Dr. Dionisius Tjhe, Postdoktorand am Cavendish Laboratory. Beim Dotieren werden einem Halbleiter Elektronen entzogen oder hinzugefügt, wodurch seine Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, erhöht wird.

In einer kürzlichen Papier veröffentlicht in NaturmaterialienEr und seine Kollegen erläutern im Detail, wie diese neuen Erkenntnisse bei der Verbesserung der Leistung dotierter Halbleiter hilfreich sein könnten.

Energiebänder mit beispiellosem Dotierungsgrad

Elektronen in Festkörpern sind in Energiebändern organisiert. Das Band mit der höchsten Energie, das sogenannte Valenzband, steuert viele wichtige physikalische Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und chemische Bindung. Die Dotierung in organischen Halbleitern wird erreicht, indem ein kleiner Teil der Elektronen aus dem Valenzband entfernt wird. Löcher, die Abwesenheit von Elektronen, können dann fließen und Elektrizität leiten.

„Herkömmlicherweise werden nur 10 bis 20 Prozent der Elektronen im Valenzband eines organischen Halbleiters entfernt, was bereits viel mehr ist als die für Siliziumhalbleiter typischen ppm-Werte“, sagte Tjhe. „Bei zwei der von uns untersuchten Polymere konnten wir das Valenzband vollständig leeren. Überraschender noch: Bei einem dieser Materialien können wir sogar noch weiter gehen und Elektronen aus dem darunterliegenden Band entfernen. Das ist möglicherweise das erste Mal, dass uns das gelungen ist!“

Interessanterweise ist die Leitfähigkeit im tieferen Valenzband deutlich größer als im oberen. „Die Hoffnung ist, dass der Ladungstransport in tiefen Energieniveaus letztlich zu thermoelektrischen Geräten mit höherer Leistung führen könnte. Diese wandeln Wärme in Elektrizität um“, sagte Dr. Xinglong Ren, Postdoktorand am Cavendish Laboratory und Co-Erstautor der Studie. „Indem wir Materialien mit höherer Leistungsabgabe finden, können wir mehr unserer Abwärme in Elektrizität umwandeln und sie zu einer tragfähigeren Energiequelle machen.“

Warum wurde dies bei diesem Material beobachtet?

Obwohl die Forscher glauben, dass die Entleerung des Valenzbandes auch in anderen Materialien möglich sein sollte, ist dieser Effekt wahrscheinlich am leichtesten in Polymeren zu beobachten. „Wir denken, dass die Art und Weise, wie die Energiebänder in unserem Polymer angeordnet sind, sowie die ungeordnete Natur der Polymerketten uns dies ermöglichen“, sagte Tjhe.

„Andere Halbleiter wie Silizium hingegen sind wahrscheinlich weniger anfällig für diese Effekte, da es bei diesen Materialien schwieriger ist, das Valenzband zu leeren. Der entscheidende nächste Schritt besteht darin, zu verstehen, wie sich dieses Ergebnis in anderen Materialien reproduzieren lässt. Für uns ist dies eine spannende Zeit.“

Gibt es eine andere Möglichkeit, die thermoelektrische Leistung zu steigern?

Durch Dotierung erhöht sich die Anzahl der Löcher, aber auch die Anzahl der Ionen, was die Leistung begrenzt. Glücklicherweise können Forscher die Anzahl der Löcher steuern, ohne die Anzahl der Ionen zu beeinflussen, indem sie eine Elektrode verwenden, die als Feldeffekt-Gate bezeichnet wird.

„Mithilfe des Feldeffekt-Gates konnten wir die Lochdichte anpassen, was zu ganz anderen Ergebnissen führte“, erklärte Dr. Ian Jacobs, Forschungsstipendiat der Royal Society University am Cavendish Laboratory.

„Die Leitfähigkeit ist normalerweise proportional zur Anzahl der Löcher. Sie nimmt zu, wenn die Anzahl der Löcher erhöht wird, und ab, wenn sie entfernt werden. Dies wird beobachtet, wenn wir die Anzahl der Löcher durch Hinzufügen oder Entfernen von Ionen ändern. Bei Verwendung des Feldeffekt-Gates sehen wir jedoch einen anderen Effekt. Das Hinzufügen oder Entfernen von Löchern führt immer zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit!“

Die Kraft des Nichtgleichgewichtszustandes nutzen

Die Forscher konnten diese unerwarteten Effekte auf eine „Coulomb-Lücke“ zurückführen, eine bekannte, aber selten beobachtete Eigenschaft ungeordneter Halbleiter. Interessanterweise verschwindet dieser Effekt bei Raumtemperatur und der erwartete Trend stellt sich wieder ein.

„Coulomb-Abstände sind bei elektrischen Messungen notorisch schwer zu beobachten, da sie nur dann sichtbar werden, wenn das Material nicht in der Lage ist, seine stabilste Konfiguration zu finden“, fügte Jacobs hinzu. „Andererseits konnten wir diese Effekte bei viel höheren Temperaturen als erwartet beobachten, nämlich nur bei etwa -30°C.“

„Es stellte sich heraus, dass die Ionen in unserem Material gefrieren; das kann bei relativ hohen Temperaturen passieren“, sagte Ren. „Wenn wir Elektronen hinzufügen oder entfernen, während die Ionen gefroren sind, befindet sich das Material in einem Nichtgleichgewichtszustand. Die Ionen würden sich lieber neu anordnen und das System stabilisieren, aber das können sie nicht, weil sie gefroren sind. Dadurch können wir die Coulomb-Lücke sehen.“

Normalerweise besteht ein Kompromiss zwischen thermoelektrischer Leistungsabgabe und Leitfähigkeit – das eine nimmt zu, während das andere abnimmt. Aufgrund der Coulomb-Lücke und der Nichtgleichgewichtseffekte können jedoch beide zusammen erhöht werden, was bedeutet, dass die Leistung verbessert werden kann. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass das Feldeffekt-Gate derzeit nur die Oberfläche des Materials beeinflusst. Wenn das gesamte Material beeinflusst werden könnte, würden Leistung und Leitfähigkeit noch weiter steigen.

Obwohl die Gruppe noch einiges zu tun hat, skizziert die Forschungsarbeit eine klare Methode zur Verbesserung der Leistung organischer Halbleiter. Angesichts der spannenden Aussichten im Energiebereich hat die Gruppe die Tür für weitere Untersuchungen dieser Eigenschaften offen gelassen. „Der Transport in diesen Nichtgleichgewichtszuständen hat sich erneut als vielversprechender Weg für bessere organische thermoelektrische Geräte erwiesen“, sagte Tjhe.