Elektronit vauhdikkaina kaksiulotteisissa polymeereissä

(10.5.2024) Korealaisten POSTECHin ja Institute of Basic Sciencen (IBS) tutkijoiden voimin on kehitetty ultranopeita elektroneja sisältävien orgaanisten puolijohteita. Yhteistyö on johtanut näiden ultranopeiden elektronien onnistuneeseen havainnointiin johtavissa kaksiulotteisissa polymeereissä.

Grafeenissa, jota kutsutaan "unelmamateriaaliksi", elektronien liikkuvuus on 140 kertaa nopeampi kuin piissä ja vahvuutta on 200 kertaa teräksen verran. Kuitenkin sen kaistavälin puute, joka on välttämätön sähkövirran säätelyssä, estää sen käytön puolijohteena.

Tutkijat ovat aktiivisesti tutkineet erilaisia lähestymistapoja kehittääkseen puolijohteita, jotka osoittaisivat grafeenin poikkeukselliset ominaisuudet.

Yksi lupaava lähestymistapa on johtavien kaksiulotteisten polymeerien (C2P) kehittäminen. Korealaistutkijat etsivät johtavia polymeerejä, joissa on fuusioitunut aromaattinen runko, jotka jäljittelevät grafeenin kemiallista rakennetta ja pyrkivät saavuttamaan poikkeuksellisia ominaisuuksia. Kuitenkin synteesin aikana syntyy haasteita, jotka johtuvat kasvun välituotteiden välisestä pinoutumisesta, mikä estää polymeerin tavoitellunlaisen kasvun.

Tässä tutkimuksessa tutkijat käyttivät triatsakoronenia, jonka kemiallinen rakenne oli samanlainen kuin grafeenilla, ja toivat sen reuna-alueille tilaa vieviä irrallisia funktionaalisia ryhmiä. Ottamalla käyttöön sterisen esteen näiltä ryhmiltä, ryhmä onnistui tukahduttamaan kaksiulotteisten polymeerivälituotteiden pinoutumisen polymeroinnin aikana.

Näin saatiin aikaan liukoisempia välituotteita mikä helpotti sellaisten kaksiulotteisten polymeerien synteesiä, joilla oli korkeampi polymerointiaste ja vähemmän vikoja. P-tyyppisen seostuksen jälkeen synteesituotteelle saatiin aikaan erinomainen sähkönjohtavuus.

Huomionarvoista on, että magnetokuljetusmittaukset paljastivat, että koherentti monen kantajan kuljetus äärellisillä n-tyypin kantajilla osoittaa poikkeuksellisen suurta liikkuvuutta yli 3 200 cm2 V/s ja pitkä faasikoherenssipituus ylittää 100 nm, ollen jyrkässä ristiriidassa aukko-kantaja kuljetuksen 25 000 kertaa pienemmälle liikkuvuudelle matalissa lämpötiloissa.

Tämä dramaattinen ero elektronien ja aukkojen kantajien välillä johtuu avaruudellisesti erotetuista elektronisista tiloista lähellä Fermi-tasoa, joka koostuu hajaantuvista ja litteistä vyöhykkeistä.

Professori Kimoon Kim POSTECHista ilmaisi tutkimuksen merkityksen sanomalla: "Olemme saavuttaneet läpimurron puuttuessamme alhaiseen elektronien liikkuvuuteen, joka on suuri haaste orgaanisissa puolijohteissa, sekä elektronien ja aukkojen johtavuusreittien hallinnassa molekyylitasolla."

"Tämä tutkimus tuo valoa materiaalien suorituskyvyn parantamiseen erilaisissa teollisissa sovelluksissa, mukaan lukien akut ja katalyytit."

Aiheesta aiemmin:

Orgaanista tehoelektroniikkaa