Neuer Durchbruch in der Flexiblen Elektronik: MANAs bahnbrechende Dotierungsinnovation

(SeaPRwire) –   TSUKUBA, Japan, Feb. 6, 2024 — Forscher vom Forschungszentrum für Material-Nanoarchitekturen (MANA) haben eine Dotierungsmethode eingeführt, um eine genaue und konsistente Leitfähigkeit für organische Halbleiter zu erreichen.

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Organische Halbleiter, die aus Polymeren bestehen, sind für die Entwicklung flexibler elektronischer Geräte von Bedeutung. Allerdings ist es mit aktuellen Dotierungsmethoden schwierig, eine konsistente Leitfähigkeit zu erreichen. Die Dotierung beinhaltet das Hinzufügen von Dotierstoffen zum Halbleiter durch eine Redoxreaktion, um die Dichte der Ladungsträger zu erhöhen. Der Prozess ist jedoch empfindlich gegenüber der Reaktionsatmosphäre und Verunreinigungen, insbesondere Wasser, das die Dotierstoffe deaktiviert.

In einer neuen Studie hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Yu Yamashita von MANA in Zusammenarbeit mit Dr. Masaki Ishii (Erstautor) von MANA nun eine einfache Dotierungsmethode entwickelt, die in der Lage ist, organische Halbleiter mit gewünschten Leitfähigkeitsstufen herzustellen. Die Methode basiert auf der protonengekoppelten Elektronenübertragungsreaktion (PCET), die in biochemischen Prozessen beobachtet wird.

Bei PCET werden Protonen und Elektronen gleichzeitig zwischen zwei Molekülen übertragen. Diese Reaktion bietet einen Weg, einen organischen Halbleiter durch Akzeptieren von Elektronen vom Halbleiter in einen p-dotierten Zustand umzuwandeln. Für den Dotierungsprozess tauchten die Forscher PBTTT, einen organischen Halbleiter, in eine wässrige Lösung ein, die Benzochinon (BQ), Hydrochinon (HQ) und hydrophobe molekulare Anionen enthielt. BQ empfängt Protonen aus der wässrigen Lösung zusammen mit Elektronen von PBTTT. Der Elektronentransfer vom organischen Halbleiter erhöht die Anzahl der Löcher im organischen Halbleiter und ändert dessen Leitfähigkeit.

Der Vorteil dieser Methode liegt in ihrer Reproduzierbarkeit und pH-abhängigen Steuerbarkeit. Durch Einstellen des pH-Werts der Lösung lässt sich die Dotierungsmenge und damit die Leitfähigkeit präzise steuern. “Der Fermi-Spiegel der Halbleiter wurde präzise und reproduzierbar durch den pH-Wert der Dotierlösung eingestellt”, sagt Dr. Yamashita. Darüber hinaus konnte eine solch präzise Dotierung erstmals unter Normalatmosphäre durchgeführt werden und zeigt eine bislang unerreichte Skalierbarkeit für die Herstellung von Bauelementen.

Diese innovative Dotierungsmethode bietet einen kostengünstigen Ansatz für die Entwicklung flexibler und stabiler Elektronik, wie drahtlose Sensoren, energieerntende Module, biomolekulare Geräte, Displays und Solarzellen.

Forschungshighlights Vol. 86

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