Os semicondutores - e nosso domínio deles - nos permitiram desenvolver a tecnologia que sustenta nossa sociedade moderna. Esses dispositivos são responsáveis ​​por uma ampla gama de eletrônicos, incluindo placas de circuito, chips e sensores de computador.

A condutância elétrica dos semicondutores fica entre as dos isoladores, como borracha, e condutores, como cobre. Ao dopar os materiais com diferentes impurezas, os cientistas podem controlar as propriedades elétricas de um semicondutor. Isso é o que os torna tão úteis na eletrônica.

Cientistas e engenheiros têm explorado novos tipos de semicondutores com propriedades atraentes que podem resultar em inovações revolucionárias. Uma classe desses novos materiais são os semicondutores orgânicos (OSCs), que são baseados em carbono ao invés de silício. OSCs são mais leves e mais flexíveis do que suas contrapartes convencionais, propriedades que se prestam a todos os tipos de aplicações potenciais, como eletrônicos flexíveis, por exemplo.

Em 2014, O professor Thuc-Quyen Nguyen da UC Santa Barbara e seu laboratório relataram pela primeira vez a dopagem de OSCs usando ácidos de Lewis para aumentar a condutância de alguns polímeros semicondutores; Contudo, ninguém sabia por que esse aumento aconteceu até agora.

Por meio de um esforço colaborativo, Nguyen e suas colagens analisaram esse mecanismo, e sua descoberta inesperada promete nos conceder maior controle sobre esses materiais. O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia e os resultados aparecem na revista Materiais da Natureza .

Pesquisadores da UC Santa Barbara colaboraram com uma equipe internacional da Universidade de Kentucky, Universidade Humboldt de Berlim e Universidade Donghua em Xangai. "O mecanismo de dopagem usando ácidos de Lewis é único e complexo; portanto, requer um esforço de equipe, "Nguyen explicou.

"É disso que trata este artigo, "disse o autor principal Brett Yurash, um candidato a doutorado no laboratório de Nguyen, "descobrir por que adicionar este produto químico ao semicondutor orgânico aumenta sua condutividade."

"As pessoas pensaram que era apenas o ácido de Lewis agindo no semicondutor orgânico, "ele explicou." Mas acontece que você não consegue esse efeito a menos que água esteja presente. "

Pelo visto, a água medeia uma parte importante desse processo. O ácido de Lewis agarra um átomo de hidrogênio da água e o passa para o OSC. A carga positiva extra torna a molécula OSC instável, assim, um elétron de uma molécula vizinha migra para cancelar a carga. Isso deixa um "orifício" carregado positivamente que contribui para a condutividade do material.

"O fato de a água ter alguma função foi realmente inesperado, "disse Yurash, o autor principal do artigo.

A maioria dessas reações é realizada em ambientes controlados. Por exemplo, os experimentos na UC Santa Bárbara foram conduzidos em condições secas sob uma atmosfera de nitrogênio. Não deveria haver nenhuma umidade na câmara. Contudo, claramente alguma umidade havia entrado na caixa com os outros materiais. "Basta uma pequena quantidade de água para ter esse efeito de dopagem, "Yurash disse.

Cientistas, engenheiros e técnicos precisam ser capazes de dopar controladamente um semicondutor para que seja prático. "Dominamos totalmente o silício, "disse ele." Podemos drená-lo na quantidade exata que quisermos e é muito estável. " O doping controlável de OSCs tem sido um grande desafio.

Os ácidos de Lewis são dopantes bastante estáveis, e as descobertas da equipe se aplicam de forma bastante ampla, além de simplesmente os poucos OSCs e ácidos que testaram. A maior parte do trabalho de dopagem OSC usou dopantes moleculares que não se dissolvem prontamente em muitos solventes "Ácidos de Lewis, por outro lado, são solúveis em solventes orgânicos comuns, barato, e disponível em várias estruturas, "Nguyen explicou.

Compreender o mecanismo em funcionamento deve permitir aos pesquisadores projetar dopantes ainda melhores de maneira proposital. "Esperançosamente, este será o trampolim a partir do qual mais ideias serão lançadas, "Yurash disse. Em última análise, a equipe espera que esses insights ajudem a impulsionar os semicondutores orgânicos para uma realização comercial mais ampla.