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瑞典林雪平大學:水會影響有機半導體的導電性

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年05月05日  

有機材料例如聚合物可以作為半導體。這項發現贏得了2000年諾貝爾化學獎。從那時起,有機電子領域的研究真正爆發,尤其是在林雪平大學。林雪平大學是這一領域中世界領先研究成果的聚集地。

然而,有機半導體的導電效率,卻比不上硅或者其他無機材料制成的半導體。科學家們發現,其中一個原因就是,在有機材料中形成的陷阱會困住載流子。全世界有幾個研究小組一直致力于理解這些陷阱的位置,以及如何消除它們。

創新

當以正確的方式制造時,低質量的有機半導體可以變成高質量的半導體。瑞典林雪平大學科研人員在一篇發表在《自然材料(NatureMaterials)》期刊上的論文中表示,有機電子器件中的電荷運動速度會因為少量的水而顯著降低。

技術

林雪平大學復雜材料與器件部門的應用物理系教授MartijnKemerink表示:“所有的有機半導體中都存在陷阱,但是它們大概在n型材料中的問題更大,因為這些材料總體上比p型材料的半導體性能更差?!?br/>
半導體中有兩種載流子,即價帶中的空穴(帶正電)和導帶中的電子(帶負電),以電子導電為主的半導體稱之為n型半導體,以空穴導電為主的半導體稱為p型半導體。

MartijnKemerink及其在林雪平大學的同事們得出結論:水才是“罪魁禍首”。具體來說,水被認為出現在有機材料的納米孔洞中,它是從環境中被吸收來的。

MartijnKemerink表示:“在p型材料中,水中的偶極子以它們的負端對著空穴的方式進行對齊,空穴帶正電,并且整個系統的能量被降低。也許可以這么說,偶極子嵌入載流子,使得它們無法到處移動?!?br/>
對于n型材料來說,水中偶極子的朝向相反,但是效果卻一樣,電荷被困住。

實驗是在材料被加熱的情況下開展,加熱的目的是使其變干,并使水分消失。材料在一段時間內工作得很好,但是后來又會重新從周圍空氣中吸收水分,由干燥帶來的好處又逐漸消失。

“水越多,陷阱就越多。我們也展示了,制造出的薄膜越干,其導電性就越好。MathieuLinares的理論研究證實了我們的想法,結果令人非常滿意。我們在《自然材料(NatureMaterials)》期刊上的論文指出了如何排出水分,以及如何保持水分不再進來,從而制造出具有穩定導電性能的有機材料。”

在材料變干之后,為了防止水分重新進入到材料中,科學家們開發了一種去除空隙的方法,否則水分子會利用這些空隙進行滲透。這種方法是基于在合適的有機溶劑中加熱材料。

價值

MartijnKemerink表示:“只要在干燥空氣中制造這些半導體材料,那些之前被認為是極差的半導體材料,現在卻變成良好的半導體。我們展示了干燥制備的材料傾向于保持干燥,而在濕潤環境中制備的材料可進行脫水處理。然而,后者對于水特別敏感。我們測試所用的材料證明了這一點,但是沒有跡象表明其他的有機半導體材料會表現得不同。”

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