Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) relatam um transistor unipolar do tipo n com um desempenho inovador de mobilidade de elétrons de até 7,16 cm ² V ^-1 s ^-1 . Essa conquista anuncia um futuro empolgante para a eletrônica orgânica, incluindo o desenvolvimento de telas flexíveis e tecnologias vestíveis inovadoras.

Pesquisadores de todo o mundo estão em busca de novos materiais que possam melhorar o desempenho dos componentes básicos necessários para desenvolver a eletrônica orgânica.

Agora, uma equipe de pesquisa do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Tokyo Tech, incluindo Tsuyoshi Michinobu e Yang Wang, relatou uma maneira de aumentar a mobilidade de elétrons de polímeros semicondutores, que anteriormente se mostraram difíceis de otimizar. Seu material de alto desempenho atinge uma mobilidade de elétrons de 7,16 cm2 V-1 s-1, representando um aumento de mais de 40 por cento em relação aos resultados comparáveis ​​anteriores.

Em seu estudo publicado no Jornal da American Chemical Society , eles se concentraram em melhorar o desempenho de materiais conhecidos como polímeros semicondutores do tipo n. Esses materiais tipo n (negativos) são dominantes de elétrons, em contraste com materiais do tipo p (positivos) que são dominantes em orifícios. "Como os radicais carregados negativamente são intrinsecamente instáveis ​​em comparação com aqueles carregados positivamente, a produção de polímeros semicondutores estáveis ​​do tipo n tem sido um grande desafio na eletrônica orgânica, "Michinobu explica.

A pesquisa, portanto, aborda um desafio fundamental e uma necessidade prática. Wang observa que muitas células solares orgânicas, por exemplo, são feitos de polímeros semicondutores do tipo p e derivados do fulereno do tipo n. A desvantagem é que estes últimos são caros, difícil de sintetizar e incompatível com dispositivos flexíveis. "Para superar essas desvantagens, " ele diz, "Polímeros semicondutores do tipo n de alto desempenho são altamente desejados para o avanço da pesquisa em células solares totalmente poliméricas."

O método da equipe envolveu o uso de uma série de novos derivados de poli (benzotiadiazol-naftalenodiimida) e o ajuste fino da conformação da estrutura do material. Isso foi possível pela introdução de pontes de vinileno capazes de formar ligações de hidrogênio com átomos de flúor e oxigênio vizinhos. A introdução dessas pontes de vinileno exigiu um feito técnico para otimizar as condições de reação.

Geral, o material resultante tinha uma ordem de embalagem molecular melhorada e maior resistência, que contribuiu para o aumento da mobilidade do elétron.

Usando técnicas como espalhamento de raios-X de grande angular com incidência rasante (GIWAXS), os pesquisadores confirmaram que alcançaram uma distância de empilhamento π-π extremamente curta de apenas 3,40 angstrom. "Este valor está entre os mais curtos para polímeros semicondutores orgânicos de alta mobilidade, "diz Michinobu.

Existem vários desafios restantes. "Precisamos otimizar ainda mais a estrutura do backbone, "ele continua." Ao mesmo tempo, grupos de cadeia lateral também desempenham um papel significativo na determinação da cristalinidade e orientação de empacotamento de polímeros semicondutores. Ainda temos espaço para melhorias. "

Wang aponta que os níveis orbitais moleculares desocupados mais baixos (LUMO) estavam localizados em -3,8 a -3,9 eV para os polímeros relatados. "À medida que níveis mais profundos de LUMO levam a um transporte de elétrons mais rápido e estável, projetos adicionais que introduzem sp2-N, átomos de flúor e cloro, por exemplo, pode ajudar a atingir níveis ainda mais profundos de LUMO, " ele diz.

No futuro, os pesquisadores também terão como objetivo melhorar a estabilidade do ar dos transistores de canal n - uma questão crucial para a realização de aplicações práticas que incluiriam circuitos lógicos semelhantes aos de óxido metálico complementar (CMOS), células solares totalmente em polímero, fotodetectores orgânicos e termoelétricas orgânicas.