Uma descoberta de uma equipe internacional de pesquisadores da Universidade de Princeton, o Instituto de Tecnologia da Geórgia e a Universidade Humboldt em Berlim apontam o caminho para o uso mais amplo de uma tecnologia avançada geralmente conhecida como eletrônica orgânica.

A pesquisa, publicado em 13 de novembro na revista Materiais da Natureza , concentra-se em semicondutores orgânicos, uma classe de materiais valorizados por suas aplicações em tecnologias emergentes, como eletrônica flexível, conversão de energia solar, e telas coloridas de alta qualidade para smartphones e televisores. A curto prazo, o avanço deve ajudar principalmente com diodos emissores de luz orgânicos que operam em alta energia para emitir cores como o verde e o azul.

"Semicondutores orgânicos são materiais ideais para a fabricação de dispositivos mecanicamente flexíveis com processos de baixa temperatura que economizam energia, "disse Xin Lin, estudante de doutorado e membro da equipe de pesquisa de Princeton. "Uma de suas principais desvantagens é a condutividade elétrica relativamente pobre, o que leva a dispositivos ineficientes com uma vida útil operacional mais curta do que o necessário para aplicações comerciais. Estamos trabalhando para melhorar as propriedades elétricas dos semicondutores orgânicos para torná-los disponíveis para mais aplicações. "

Semicondutores, normalmente feito de silício, são a base da eletrônica moderna porque os engenheiros podem tirar proveito de suas propriedades exclusivas para controlar as correntes elétricas. Entre muitas aplicações, dispositivos semicondutores são usados ​​para computação, amplificação e comutação de sinal. Eles são usados ​​em dispositivos de economia de energia, como diodos emissores de luz e dispositivos que convertem energia, como células solares.

Essencial para essas funcionalidades é um processo chamado doping, em que a composição química do semicondutor é modificada pela adição de uma pequena quantidade de produtos químicos ou impurezas. Ao escolher cuidadosamente o tipo e a quantidade de dopante, os pesquisadores podem alterar a estrutura eletrônica e o comportamento elétrico dos semicondutores de várias maneiras.

Em seu artigo recente da Nature Materials, os pesquisadores descrevem uma nova abordagem para aumentar significativamente a condutividade de semicondutores orgânicos, que são formados por moléculas baseadas em carbono em vez de átomos de silício. O dopante, um composto contendo rutênio, é um agente redutor, o que significa que adiciona elétrons ao semicondutor orgânico como parte do processo de dopagem. A adição de elétrons é a chave para aumentar a condutividade do semicondutor. O composto pertence a uma classe recém-introduzida de dopantes chamados dopantes organometálicos diméricos. Ao contrário de muitos outros agentes redutores poderosos, esses dopantes são estáveis ​​quando expostos ao ar, mas ainda funcionam como fortes doadores de elétrons tanto em solução quanto em estado sólido.

Seth Marder e Steve Barlow da Georgia Tech, que liderou o desenvolvimento do novo dopante, chamado de composto de rutênio um "dopante hiper-redutor". Eles disseram que é incomum, não apenas sua combinação de força de doação de elétrons e estabilidade do ar, mas em sua capacidade de trabalhar com uma classe de semicondutores orgânicos que antes eram muito difíceis de dopar. Em estudos conduzidos em Princeton, os pesquisadores descobriram que o novo dopante aumentou a condutividade desses semicondutores cerca de um milhão de vezes.

O composto de rutênio é um dímero, o que significa que consiste em duas moléculas idênticas, ou monômeros, conectado por uma ligação química. Como é, o composto é relativamente estável e, quando adicionado a esses semicondutores difíceis de dopar, ele não reage e permanece em seu estado de equilíbrio. Isso representou um problema porque, para aumentar a condutividade do semicondutor orgânico, o dímero de rutênio precisa se dividir e liberar seus dois monômeros idênticos.

Lin, o estudante de doutorado de Princeton que foi o autor principal do artigo da Nature Materials, disseram que os pesquisadores procuraram maneiras diferentes de quebrar o dímero de rutênio e ativar o doping. Eventualmente, ele e Berthold Wegner, um estudante visitante de pós-graduação do grupo de Norbert Koch na Humboldt University, atingiu ao adicionar energia por irradiação com luz ultravioleta, que efetivamente excitou as moléculas no semicondutor e iniciou a reação. Sob exposição à luz, os dímeros se dividem em monômeros, e a condutividade aumentou.

Depois disso, os pesquisadores fizeram uma observação interessante.

"Assim que a luz for desligada, pode-se esperar ingenuamente que a reação reversa ocorra "e o aumento da condutividade desapareça, Marder disse em um e-mail. "Contudo, Este não é o caso."

Os pesquisadores descobriram que os monômeros de rutênio permaneceram isolados no semicondutor - aumentando a condutividade - embora a termodinâmica deva retornar as moléculas à sua configuração original como dímeros. Antoine Kahn, um professor de Princeton que lidera a equipe de pesquisa, disse que o layout físico das moléculas dentro do semicondutor dopado fornece uma resposta provável para esse quebra-cabeça. A hipótese é que os monômeros estão espalhados no semicondutor de tal forma que é muito difícil para eles retornar à sua configuração original e reformar o dímero de rutênio. Reformar, ele disse, os monômeros devem estar voltados para a orientação correta, mas na mistura eles permanecem tortos. Então, embora a termodinâmica mostre que os dímeros devem se reformar, a maioria nunca se junta novamente.

"A questão é por que essas coisas não voltam ao equilíbrio, "disse Kahn, o Stephen C. Macaleer '63 Professor em Engenharia e Ciências Aplicadas. "A resposta é que eles estão cineticamente presos."

Na verdade, os pesquisadores observaram o semicondutor dopado por mais de um ano e encontraram pouquíssima diminuição na condutividade elétrica. Também, observando o material em diodos emissores de luz fabricados pelo grupo de Barry Rand, professor assistente de engenharia elétrica em Princeton e no Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente, os pesquisadores descobriram que o doping era continuamente reativado pela luz produzida pelo dispositivo.

A luz ativa mais o sistema, o que leva a mais produção de luz e mais ativação até que o sistema esteja totalmente ativado, Disse Marder. "Isso por si só é uma observação nova e surpreendente."