Desenvolvimento de semicondutores orgânicos com elétrons ultrarrápidos

Diagrama representando a estrutura química de um polímero condutor bidimensional (C2P-9) com grupos pendentes e a coexistência de elétrons ultrarrápidos após dopagem tipo p. Crédito:POSTECH

Os cientistas criaram polímeros bidimensionais condutores que exibem mobilidade eletrônica comparável ao grafeno. A pesquisa deles foi apresentada na edição online da Chem .

O grafeno, chamado de “material dos sonhos”, apresenta mobilidade eletrônica 140 vezes mais rápida que o silício e uma resistência 200 vezes maior que a do aço. Porém, a falta de band gap, essencial para a regulação da corrente elétrica, impede seu uso como semicondutor. Os pesquisadores têm explorado ativamente várias abordagens para desenvolver um semicondutor que mostre as propriedades excepcionais do grafeno.

Uma abordagem promissora é o desenvolvimento de polímeros condutores. Os pesquisadores estão explorando polímeros condutores com uma estrutura aromática fundida, imitando a estrutura química do grafeno, com o objetivo de obter propriedades excepcionais. No entanto, surgem desafios durante a síntese devido ao empilhamento intercamadas entre os intermediários de crescimento, dificultando o crescimento adequado do polímero.

Nesta pesquisa, a equipe composta pelos professores Kimoon Kim e Ji Hoon Shim, Dr. Yeonsang Lee do Departamento de Química da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH) e o professor Jun Sung Kim do Departamento de Física da POSTECH e do Centro de Artificial Os Sistemas Eletrônicos de Baixa Dimensão do Instituto de Ciências Básicas utilizaram triazacoroneno, possuindo uma estrutura química semelhante ao grafeno, e introduziram grupos funcionais pendentes volumosos em sua periferia.

Ao introduzir o impedimento estérico desses grupos pendentes, a equipe suprimiu com sucesso o empilhamento de intermediários poliméricos bidimensionais durante a polimerização de monômeros de triazacoroneno. Isto levou ao aumento da solubilidade dos intermediários e facilitou a síntese de polímeros bidimensionais com maior grau de polimerização e menos defeitos, resultando em excelente condutividade elétrica após dopagem do tipo p.

Notavelmente, as medições de magnetotransporte revelaram que o transporte coerente de múltiplas portadoras com portadoras finitas do tipo n mostra uma mobilidade excepcionalmente alta acima de 3.200 cm² V⁻¹ s⁻¹ e comprimento de coerência de fase longa ultrapassando 100 nm, em forte contraste com o transporte de portadores de buracos com mobilidade 25.000 vezes menor em baixas temperaturas. Esta disparidade dramática entre o transporte de elétrons e de portadores de buracos é atribuída a estados eletrônicos espacialmente separados próximos ao nível de Fermi, que consiste em bandas dispersivas e planas.

O professor Kimoon Kim da POSTECH expressou a importância da pesquisa dizendo:"Alcançamos um avanço no tratamento da baixa mobilidade dos elétrons, um grande desafio em semicondutores orgânicos, e no controle das vias de condução para elétrons e buracos no nível molecular. "

"Esta pesquisa esclarece a melhoria do desempenho dos materiais em diversas aplicações industriais, incluindo baterias e catalisadores."

Mais informações: Yeonsang Lee et al, Observação de elétrons ultrarrápidos em polímeros bidimensionais condutores incorporados em pingentes, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2023.12.007
Informações do diário: Química

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang

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