Upptäckten att organiska material, som polymerer, kan vara halvledare ledde till ett Nobelpris i kemi år 2000. Sedan dess har forskningen inom organisk elektronik formligen exploderat, inte minst vid Linköpings universitet som har världsledande forskning inom området.
De organiska halvledarna leder emellertid inte ström lika effektivt som exempelvis halvledare i kisel eller andra oorganiska material. Forskarna har upptäckt att det bland annat beror på att det bildas fällor i de organiska materialen där laddningsbärarna fastnar. Ett antal forskargrupper runt om i världen har lagt sina pannor i djupa veck för att försöka förstå både var fällorna sitter och hur man ska kunna bli av med dem.
– Fällor finns i alla organiska halvledare, mest besvärande är de kanske i materialen av n-typ eftersom de generellt sett är sämre halvledare än material av p-typ, säger Martijn Kemerink, professor i tillämpad fysik, Avdelningen komplexa material och system vid Linköpings universitet.
Material av p-typ är positivt laddade och laddningsbärarna består av hål medan material av n-typ har laddningsbärare i form av elektroner och materialet har därmed en negativ laddning.
Martijn Kemerink Foto Charlotte Perhammar
– Har vi ett material av p-typ, som är positivt laddat, så ställer dipolerna i vattnet in sig med den negativa änden mot hålen och energin i hela systemet minskar. Man kan säga att dipolerna bäddar in laddningsbärarna så att de inte kommer någon vart, säger Martijn Kemerink.
I ett material av n-typ orienterar sig dipolerna i vattnet åt andra hållet och resultatet blir det samma.
Försök har också gjorts att värma materialet så att det torkar och vattnet försvinner. Det fungerar fint en stund, men sedan suger materialet åter upp fukt från omgivningen och en stor del av effekten av torkningen försvinner.
Foto Charlotte PerhammarLinares teoretiska beräkningar bekräftade också de idéer vi hade om vad det är som händer inne i materialet. Vår artikel i Nature Materials visar både hur man kan bli av med fukten och hur man kan hålla fukten ute för att få fram ett stabilt ledande organiskt material, säger han.
För att hindra fukten från att tränga in igen i de material man en gång har torkat har forskarna också hittat ett sätt att täppa igen de porer där fukten tränger in. Metoden bygger på en kombination av uppvärmning och ett väl valt organiskt lösningsmedel.
– Material som vi tidigare har trott vara usla halvledare kan istället vara bra halvledare, bara de tillverkas i torr atmosfär. Vi har visat att torra material förblir torra medan de våta går att torka, men att de då också är mycket känsliga för fukt. Detta gäller de material vi har testat, men inget tyder på att andra organiska halvledande material skulle bete sig på annat sätt, säger Martijn Kemerink.
General Rule for the Energy of Water-Induced Traps in Organic Semicondutors. Guangzheng Zuo, Mathieu Linares, Tanvi Upreti and Martijn Kemerink, Linköping University, Nature Materials 2019 DOI 10.1038/s41563-019-0347-y
De organiska halvledarna leder emellertid inte ström lika effektivt som exempelvis halvledare i kisel eller andra oorganiska material. Forskarna har upptäckt att det bland annat beror på att det bildas fällor i de organiska materialen där laddningsbärarna fastnar. Ett antal forskargrupper runt om i världen har lagt sina pannor i djupa veck för att försöka förstå både var fällorna sitter och hur man ska kunna bli av med dem.
– Fällor finns i alla organiska halvledare, mest besvärande är de kanske i materialen av n-typ eftersom de generellt sett är sämre halvledare än material av p-typ, säger Martijn Kemerink, professor i tillämpad fysik, Avdelningen komplexa material och system vid Linköpings universitet.
Material av p-typ är positivt laddade och laddningsbärarna består av hål medan material av n-typ har laddningsbärare i form av elektroner och materialet har därmed en negativ laddning.
Fukt tränger in i materialet
Martijn Kemerink och hans kolleger vid Linköpings universitet har nu kommit fram till att det är vatten som är boven i dramat. Mer specifikt fukt från omgivningen som tränger in i nanometerstora porer i det organiska materialet.– Har vi ett material av p-typ, som är positivt laddat, så ställer dipolerna i vattnet in sig med den negativa änden mot hålen och energin i hela systemet minskar. Man kan säga att dipolerna bäddar in laddningsbärarna så att de inte kommer någon vart, säger Martijn Kemerink.
I ett material av n-typ orienterar sig dipolerna i vattnet åt andra hållet och resultatet blir det samma.
Försök har också gjorts att värma materialet så att det torkar och vattnet försvinner. Det fungerar fint en stund, men sedan suger materialet åter upp fukt från omgivningen och en stor del av effekten av torkningen försvinner.
Tillverka torrt
– Ju mera fukt desto fler fällor. Vi har också visat att ju torrare man kan tillverka filmerna, desto bättre ledare blir de. MathieuFör att hindra fukten från att tränga in igen i de material man en gång har torkat har forskarna också hittat ett sätt att täppa igen de porer där fukten tränger in. Metoden bygger på en kombination av uppvärmning och ett väl valt organiskt lösningsmedel.
– Material som vi tidigare har trott vara usla halvledare kan istället vara bra halvledare, bara de tillverkas i torr atmosfär. Vi har visat att torra material förblir torra medan de våta går att torka, men att de då också är mycket känsliga för fukt. Detta gäller de material vi har testat, men inget tyder på att andra organiska halvledande material skulle bete sig på annat sätt, säger Martijn Kemerink.
General Rule for the Energy of Water-Induced Traps in Organic Semicondutors. Guangzheng Zuo, Mathieu Linares, Tanvi Upreti and Martijn Kemerink, Linköping University, Nature Materials 2019 DOI 10.1038/s41563-019-0347-y
