Молекулярная настройка повышает производительность органических полупроводников для гибких электронных устройств

Химики RIKEN обнаружили, что добавление простой серосодержащей химической группы к полупроводниковой молекуле может значительно повысить производительность молекулы в транзисторе. Это говорит о том, что свойства углеродных полупроводников можно регулировать путем включения этих групп.

Большинство электронных устройств в настоящее время основано на кремнии. Однако молекулы органических полупроводников позволяют делать более дешевые и гибкие устройства, такие как экраны дисплеев, носимые датчики и одноразовые радиочастотные идентификационные метки. Но большинство органических полупроводников еще не могут сравниться с характеристиками своих кремниевых конкурентов.

Двумя эталонными органическими полупроводниками являются пентацен и его производная TIPS-пентацен. Они содержат электроны, которые образуют так называемую p-сопряженную систему, которая способствует переносу электрического заряда.

В кристаллах пентацена молекулы расположены в виде елочки, что является обычной структурой для органических полупроводников. Когда эти рисунки в виде елочки образуют структуру, подобную сэндвичу, перенос заряда очень низкий. Напротив, молекулы TIPS-пентацена имеют более необычный узор — они складываются, как кирпичи в стене. Это формирует р-сопряжение молекул таким образом, чтобы улучшить перенос заряда и уменьшить влияние дефектов в кристалле. Однако было трудно гарантировать, что новые органические полупроводники примут структуру кирпичной кладки.

Оптические микроскопические изображения монокристалла MT-пирена (золотая трапеция). Это повысило производительность полевого транзистора. Предоставлено: Центр науки о возникающих веществах RIKEN.

Теперь, Кадзуо Такимия из Центра изучения новых материалов RIKEN и его коллеги обнаружили, что добавление метилтиогрупп (CH 3 S–) к органическим полупроводникам может помочь молекулам сформировать этот полезный образец.

Исследователи протестировали свой подход на молекуле под названием пирен, модифицируя каждую молекулу двумя или четырьмя метилтиогруппами. Сам пирен имеет структуру сэндвич-елочки, но соединение, несущее четыре метилтио-группы, называемое МТ-пиреном, имеет структуру кирпичной кладки.

Затем команда вырастила пластины кристаллического MT-пирена толщиной 50–150 нанометров и использовала их для производства 26 полевых транзисторов. Все устройства работали хорошо, демонстрируя одну из самых высоких зафиксированных подвижностей заряда среди всех органических полупроводников со структурой кирпичной кладки.

Исследователи обнаружили, что, когда каждая молекула имеет четыре метилтиогруппы, они нарушают определенные взаимодействия между соседними молекулами. Это не позволяло им образовывать сэндвич-структуру в виде елочки и позволяло укладывать их только лицом к лицу, как кирпичи. Это оптимизировало взаимодействие между p-электронами и, в конечном итоге, улучшило перенос заряда.

Команда уверена, что эту стратегию можно распространить на другие органические молекулы . «Мы думаем, что метилтиолирование — многообещающий подход, который может быть применен ко многим другим органическим полупроводникам», — говорит Такимия. Команда планирует оценить, как другие простые химические группы влияют на кристаллическую структуру материалов. Они также надеются разработать более простые методы для производства большего количества таких кристаллов.

Дополнительная информация: Казуо Такимия и др., «Манипуляция» кристаллической структурой с помощью метилтиоляции, обеспечивающей сверхвысокую подвижность в молекулярном полупроводнике на основе пирена, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002 / adma.202102914

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК