מכשיר המשמש למדידת תכונות המוליכים למחצה. קרדיט: ד"ר מרטין סטץ, מעבדת Sirringhaus
מדענים שיפרו את האורגני מוליכים למחצה על ידי השגת הסרת אלקטרונים פורצת דרך ומינוף מאפייני מצב לא-שיווי משקל, העלולה להגביר את יעילות ההתקן התרמו-אלקטרי.
פיזיקאים של קוונדיש גילו שתי דרכים חדשות לשיפור מוליכים למחצה אורגניים. הם מצאו דרך להסיר יותר אלקטרונים מהחומר ממה שהיה אפשר בעבר והשתמשו במאפיינים בלתי צפויים בסביבה המכונה מצב אי-שיווי משקל, והגביר את הביצועים שלו לשימוש במכשירים אלקטרוניים.
"באמת רצינו לתקוע את הציפורן ולהבין מה קורה כשאתה מסמם בכבדות מוליכים למחצה פולימריים", אמר ד"ר דיוניסיוס ט'ה, עמית מחקר פוסט-דוקטורט במעבדת קוונדיש. סימום הוא תהליך של הסרה או הוספת אלקטרונים לתוך מוליך למחצה, הגדלת יכולתו לשאת זרם חשמלי.
במאמר שפורסם לאחרונה ב חומרי טבעTjhe ועמיתיו מפרטים כיצד תובנות חדשות אלו יכולות להיות מועילות בשיפור הביצועים של מוליכים למחצה מסוממים.
רצועות אנרגיה ברמות חסרות תקדים של סימום
אלקטרונים במוצקים מאורגנים לרצועות אנרגיה. פס האנרגיה הגבוה ביותר, המכונה פס הערכיות, שולט רבות מהתכונות הפיזיקליות החשובות כגון מוליכות חשמלית וקשירה כימית. סימום במוליכים למחצה אורגניים מושג על ידי הסרת חלק קטן של אלקטרונים מרצועת הערכיות. חורים, היעדר אלקטרונים, יכולים אז לזרום ולהוליך חשמל.
ריקון רצועות ערכיות וערכיות עמוקות יותר באמצעות סימום. קרדיט: Sirringhaus Lab
"באופן מסורתי, רק עשרה עד עשרים אחוזים מהאלקטרונים בפס הערכיות של מוליך למחצה אורגני מוסרים, וזה כבר הרבה יותר גבוה מרמות החלקים למיליון האופייניות במוליכי סיליקון למחצה," אמר Tjhe. "בשניים מהפולימרים שחקרנו, הצלחנו לרוקן לחלוטין את רצועת הערכיות. באופן מפתיע יותר, באחד מהחומרים הללו, אנו יכולים ללכת רחוק יותר ולהסיר אלקטרונים מהרצועה למטה. זו יכולה להיות הפעם הראשונה שהושג!"
מעניין שהמוליכות גדולה משמעותית ברצועת הערכיות העמוקה יותר, בהשוואה לזו העליונה. "התקווה היא שהעברת מטענים ברמות אנרגיה עמוקות עשויה בסופו של דבר להוביל להתקנים תרמו-אלקטריים בעלי הספק גבוה יותר. אלה ממירים חום לחשמל", אמר ד"ר שינגלונג רן, עמית מחקר פוסט-דוקטורט במעבדת קוונדיש ומחבר ראשון במחקר. "על ידי מציאת חומרים עם תפוקת כוח גבוהה יותר, אנו יכולים להמיר יותר מחום הפסולת שלנו לחשמל ולהפוך אותו למקור אנרגיה בר-קיימא יותר."
מדוע זה נצפה בחומר זה?
למרות שהחוקרים מאמינים שריקון רצועת הערכיות צריך להיות אפשרי בחומרים אחרים, אפקט זה נראה אולי הכי קל בפולימרים. "אנחנו חושבים שהאופן שבו רצועות האנרגיה מסודרות בפולימר שלנו, כמו גם האופי המעורער של שרשראות הפולימר מאפשר לנו לעשות זאת", אמר Tjhe. "לעומת זאת, מוליכים למחצה אחרים, כמו סיליקון, כנראה פחות מארחים את ההשפעות הללו, מכיוון שקשה יותר לרוקן את פס הערכיות בחומרים אלה. ההבנה כיצד לשחזר תוצאה זו בחומרים אחרים היא השלב הבא המכריע. זו תקופה מרגשת עבורנו".
האם יש דרך נוספת להגביר את הביצועים התרמו-אלקטריים?
סימום מביא לעלייה במספר החורים, אך הוא גם מגדיל את מספר היונים, מה שמגביל את הכוח. למרבה המזל, חוקרים יכולים לשלוט במספר החורים, מבלי להשפיע על מספר היונים, על ידי שימוש באלקטרודה המכונה שער אפקט שדה.
"באמצעות שער אפקט השדה, מצאנו שאנחנו יכולים להתאים את צפיפות החורים, וזה הוביל לתוצאות שונות מאוד", הסביר ד"ר איאן ג'ייקובס, עמית המחקר של אוניברסיטת רויאל במעבדת קוונדיש. "המוליכות היא בדרך כלל פרופורציונלית למספר החורים, עולה כאשר מספר החורים גדל, ופוחת כאשר הם מוסרים. זה נצפה כאשר אנו משנים את מספר החורים על ידי הוספה או הסרה של יונים. עם זאת, כאשר משתמשים בשער אפקט השדה, אנו רואים אפקט שונה. הוספה או הסרה של חורים תמיד גורמת לעלייה במוליכות!"
רתימת כוחו של מצב אי-שיווי המשקל
החוקרים הצליחו לאתר את ההשפעות הבלתי צפויות הללו ל'פער קולומב', תכונה ידועה, אם כי נצפתה לעתים רחוקות, במוליכים למחצה מופרעים. מעניין שהאפקט הזה נעלם בטמפרטורת החדר והמגמה הצפויה מתאוששת.
"יש לשמצה קשה לראות פערים בקולומב במדידות חשמליות, מכיוון שהם נראים לעין רק כאשר החומר אינו מצליח למצוא את התצורה היציבה ביותר שלו", הוסיף ג'ייקובס. "מצד שני, הצלחנו לראות את ההשפעות הללו בטמפרטורות גבוהות בהרבה מהצפוי, רק כ-30 מעלות צלזיוס."
“מסתבר שבחומר שלנו היונים קופאות; זה יכול לקרות בטמפרטורות גבוהות יחסית", אמר רן. "אם נוסיף או נסיר אלקטרונים כשהיונים קפואים, החומר נמצא במצב לא שיווי משקל. היונים יעדיפו לארגן מחדש ולייצב את המערכת, אבל הם לא יכולים כי הם קפואים. זה מאפשר לנו לראות את הפער של קולומב".
בדרך כלל, יש פשרה בין תפוקת הספק תרמו-אלקטרי לבין מוליכות, אחד גדל והשני יורד. עם זאת, בשל הפער בקולומב וההשפעות שאינן שיווי משקל, ניתן להגדיל את שניהם יחד, כלומר ניתן לשפר את הביצועים. המגבלה היחידה היא ששער אפקט השדה משפיע כרגע רק על פני החומר. אם ניתן להשפיע על עיקר החומר, זה יגדיל את ההספק והמוליכות לגדלים גדולים עוד יותר.
למרות שלקבוצה עדיין יש התקדמות מסוימת, מאמר המחקר מתאר שיטה ברורה לשיפור הביצועים של מוליכים למחצה אורגניים. עם סיכויים מרגשים בתחום האנרגיה, הקבוצה השאירה את הדלת פתוחה לחקירה נוספת של נכסים אלה. "תחבורה במצבי חוסר שיווי משקל אלה שוב הוכיחה את עצמה כמסלול מבטיח למכשירים תרמו-אלקטריים אורגניים טובים יותר", אמר Tjhe.
