O Vale do Silício, na Califórnia, e as Encostas do Silício, em Utah, são nomeados em homenagem ao elemento mais associado aos semicondutores, a espinha dorsal da revolução da informática. Qualquer coisa informatizada ou eletrônica depende de semicondutores, uma substância com propriedades que conduzem corrente elétrica sob certas condições. Os semicondutores tradicionais são feitos de materiais inorgânicos – como o silício – que requerem grandes quantidades de água e energia para serem produzidos.



Durante anos, os cientistas tentaram criar alternativas ecológicas utilizando materiais orgânicos, como polímeros. Os polímeros são formados pela ligação de pequenas moléculas para formar longas cadeias. O processo de polimerização evita muitas das etapas que consomem muita energia exigidas na fabricação tradicional de semicondutores e utiliza muito menos água e menos gases e produtos químicos.

Eles também são baratos de fabricar e permitiriam eletrônicos flexíveis, sensores vestíveis e dispositivos biocompatíveis que poderiam ser introduzidos dentro do corpo. O problema é que a sua condutividade, embora boa, não é tão elevada como a dos seus homólogos inorgânicos.

Todos os materiais eletrônicos requerem dopagem, um método de infusão de moléculas em semicondutores para aumentar a condutividade. Os cientistas usam moléculas chamadas dopantes para definir as partes condutoras dos circuitos elétricos. A dopagem em materiais orgânicos tem incomodado os cientistas devido à falta de consistência – às vezes os dopantes melhoram a condutividade, outras vezes a pioram.

Num novo estudo, investigadores da Universidade de Utah e da Universidade de Massachusetts Amherst descobriram a física que impulsiona as interações entre dopantes e polímeros que explicam o problema de condutividade inconsistente.

A equipe descobriu que transportadores com carga positiva puxam dopantes com carga negativa das cadeias poliméricas, impedindo o fluxo de corrente elétrica e prejudicando a condutividade do material. No entanto, as suas experiências revelaram que quando foram injectados dopantes suficientes no sistema, o comportamento dos electrões mudou para actuar como uma tela colectiva contra as forças atractivas, permitindo que o resto dos electrões fluíssem sem impedimentos.

"O caso ideal seria despejar um monte de elétrons livres no material para fazer o trabalho de condução. Claro, não podemos - temos que usar moléculas para fornecer os elétrons, "disse Zlatan Akšamija, professor associado de materiais ciência e engenharia na U e autor principal do estudo. "Nosso próximo passo é encontrar as combinações de dopantes/materiais orgânicos que podem enfraquecer essa interação e tornar a condutividade ainda maior. Mas não entendemos essa interação bem o suficiente para podermos enfrentá-la até agora."

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters .

Condutividade dos sucos doping

A eletricidade é um fluxo de elétrons. O silício por si só é um mau condutor – quatro elétrons no orbital externo formam ligações covalentes perfeitas com átomos de silício próximos, não deixando elétrons livres. É aqui que entra o doping. Adicionar uma impureza ao silício pode fazer duas coisas:contribuir com elétrons extras para o sistema ou reduzir elétrons no sistema, criando portadores carregados positivamente chamados buracos.

Por exemplo, o arsénico é um dopante comum porque tem cinco electrões na sua orbital externa – quatro irão ligar-se ao silício e o quinto permanecerá livre. Eventualmente, os dopantes contribuirão com elétrons livres suficientes para permitir que uma corrente elétrica flua através do silício.

Ao contrário do silício, os materiais orgânicos têm uma estrutura desordenada em suas cadeias poliméricas, resultando em interações complicadas entre os elétrons extras do dopante e o material polimerizado, explicou Akšamija.

"Imagine que os polímeros são uma tigela de espaguete. Eles não se empilham perfeitamente. Por causa disso, os elétrons são forçados a pular de uma parte do polímero para outra e para a próxima cadeia, empurrados pela voltagem", disse ele.

Cada dopante contribui com um elétron por vez para o sistema, o que significa que, a princípio, os elétrons que passam pelo polímero são diluídos. Se um elétron estiver saltando ao longo da cadeia e passar perto de um dopante, as cargas opostas se atrairão e farão com que o elétron se desvie do curso e interrompa a corrente elétrica.

A revelação deste estudo foi descobrir que este comportamento muda com uma massa crítica de eletrões no sistema – quando um limiar é ultrapassado, a multidão de eletrões responde coletivamente. Quando um grupo de elétrons passa por um dopante, alguns são puxados em direção à carga e criam uma tela que impede o restante dos elétrons de sentir a interação.

"E é aí que a triagem realmente faz o trabalho de bloquear os dopantes. Os transportadores estão examinando os dopantes, o que torna mais fácil para outros transportadores circularem de forma mais eficiente. Este artigo descreve o mecanismo físico pelo qual isso acontece", disse. Akšamija.

Experimentação e teoria

Os químicos da UMass Amherst conduziram os experimentos físicos. Eles usaram dois tipos de polímeros que apresentavam estruturas mais e menos desordenadas. Eles então usaram um solvente e o cobriram com uma fina camada de vidro. Eles então doparam o polímero com vapores de iodo. Um benefício do iodo é que ele é instável – com o tempo, o polímero perde gradualmente moléculas dopantes por evaporação.

"Isso foi útil para experimentos porque podemos continuar medindo a condutividade do polímero durante o período de 24 ou 48 horas. Este protocolo nos dá uma curva de condutividade em função de quantos dopantes restam no material, "disse Dhandapani Venkataraman , professor de química da UMASS Amherst e coautor do estudo.

"É um truque interessante obter acesso a quase quatro ordens de magnitude de carga na condutividade, desde concentrações baixas, médias e altas de dopantes... até retornar essencialmente ao seu estado de isolamento original."

Os químicos realizaram experimentos em duas versões diferentes do mesmo polímero – uma mais regular e outra mais desordenada. Eles poderiam então comparar a condutividade nos dois polímeros à medida que a concentração do dopante mudava.

“No início, ficamos intrigados com alguns dos resultados experimentais, especialmente quando tínhamos um grande número de dopantes. Esperávamos que o polímero desordenado fosse muito inferior ao polímero ordenado em todas as concentrações dos dopantes. caso", disse Venkataraman.

O grupo de pesquisa de Akšamija focou nas interações dos materiais. Eles foram capazes de contrastar as diferentes instâncias do mesmo polímero com quantidades maiores ou menores de desordem para discernir onde a triagem estava acontecendo.

Este comportamento de triagem nunca tinha sido considerado como parte de sistemas semicondutores orgânicos, por isso eles procuraram papel e lápis para entender como as moléculas e as cargas interagem usando os primeiros princípios da física:Qual é a equação subjacente que rege a interação das cargas? O laboratório de Akšamija começou lá e foi reconstruído. Eles então traduziram as fórmulas em um código que simulava o salto de elétrons na presença de dopantes, incluindo o comportamento de triagem.

"Finalmente convergimos para o ponto em que as simulações de computador podem realmente capturar os experimentos, não apenas qualitativamente, mas realmente quantitativamente. A única maneira de alinhar a simulação e os experimentos foi quando incluímos esse efeito de triagem", disse Akšamija.

Atualmente, os autores estão empregando inteligência artificial para ajudar a descobrir novas combinações de polímeros e dopantes que possam produzir a maior condutividade.

Mais informações: Muhamed Duhandžić et al, Carrier Screening Controls Transport in Conjugated Polymers at High Doping Concentrations, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.248101. NoarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.03726
Fornecido pela Universidade de Utah