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Aparelho usado para medir as propriedades dos semicondutores. Crédito: Dr Martin Statzs, Sirringhaus Lab
Os cientistas melhoraram a produção orgânica semicondutores alcançando remoção inovadora de elétrons e alavancando propriedades de estado de não equilíbrio, aumentando potencialmente a eficiência do dispositivo termoelétrico.
Físicos de Cavendish descobriram duas novas maneiras de melhorar semicondutores orgânicos. Eles encontraram uma maneira de remover mais elétrons do material do que era possível anteriormente e usaram propriedades inesperadas em um ambiente conhecido como estado de não equilíbrio, aumentando seu desempenho para uso em dispositivos eletrônicos.
“Nós realmente queríamos acertar o prego e descobrir o que está acontecendo quando você dopa pesadamente semicondutores de polímeros”, disse o Dr. Dionisius Tjhe, Associado de Pesquisa de Pós-Doutorado no Laboratório Cavendish. Dopagem é o processo de remover ou adicionar elétrons em um semicondutor, aumentando sua capacidade de conduzir corrente elétrica.
Em um artigo recente publicado em Materiais da NaturezaTjhe e seus colegas detalham como esses novos insights podem ser úteis para melhorar o desempenho de semicondutores dopados.
Faixas de energia em níveis sem precedentes de doping
Os elétrons em sólidos são organizados em bandas de energia. A banda de maior energia, chamada de banda de valência, controla muitas das propriedades físicas importantes, como condutividade elétrica e ligação química. A dopagem em semicondutores orgânicos é obtida pela remoção de uma pequena fração de elétrons da banda de valência. Buracos, a ausência de elétrons, podem então fluir e conduzir eletricidade.
Esvaziamento de bandas de valência e de valência mais profunda por meio de dopagem. Crédito: Sirringhaus Lab
“Tradicionalmente, apenas dez a vinte por cento dos elétrons na banda de valência de um semicondutor orgânico são removidos, o que já é muito maior do que os níveis de partes por milhão típicos em semicondutores de silício”, disse Tjhe. “Em dois dos polímeros que estudamos, conseguimos esvaziar completamente a banda de valência. Mais surpreendentemente, em um desses materiais, podemos ir ainda mais longe e remover elétrons da banda abaixo. Esta pode ser a primeira vez que isso foi alcançado!”
Curiosamente, a condutividade é significativamente maior na banda de valência mais profunda, em comparação com a superior. “A esperança é que o transporte de carga em níveis de energia profundos possa, em última análise, levar a dispositivos termoelétricos de maior potência. Eles convertem calor em eletricidade”, disse o Dr. Xinglong Ren, Associado de Pesquisa de Pós-Doutorado no Laboratório Cavendish e coautor do estudo. “Ao encontrar materiais com maior potência de saída, podemos converter mais calor residual em eletricidade e torná-lo uma fonte de energia mais viável.”
Por que isso foi observado neste material?
Embora os pesquisadores acreditem que o esvaziamento da banda de valência deva ser possível em outros materiais, esse efeito talvez seja mais facilmente visto em polímeros. “Achamos que a maneira como as bandas de energia são organizadas em nosso polímero, bem como a natureza desordenada das cadeias de polímero nos permite fazer isso”, disse Tjhe. “Em contraste, outros semicondutores, como o silício, provavelmente são menos propensos a hospedar esses efeitos, pois é mais difícil esvaziar a banda de valência nesses materiais. Entender como reproduzir esse resultado em outros materiais é o próximo passo crucial. É um momento emocionante para nós.”
Existe outra maneira de aumentar o desempenho termoelétrico?
A dopagem leva a um aumento no número de buracos, mas também aumenta o número de íons, o que limita a potência. Felizmente, os pesquisadores podem controlar o número de buracos, sem afetar o número de íons, usando um eletrodo conhecido como portão de efeito de campo.
“Usando o portão de efeito de campo, descobrimos que podíamos ajustar a densidade de buracos, e isso levou a resultados muito diferentes”, explicou o Dr. Ian Jacobs, pesquisador da Royal Society University no Laboratório Cavendish. “A condutividade é normalmente proporcional ao número de buracos, aumentando quando o número de buracos é aumentado e diminuindo quando eles são removidos. Isso é observado quando mudamos o número de buracos adicionando ou removendo íons. No entanto, ao usar o portão de efeito de campo, vemos um efeito diferente. Adicionar ou remover buracos sempre causa um aumento na condutividade!”
Aproveitando o poder do estado de não equilíbrio
Os pesquisadores conseguiram rastrear esses efeitos inesperados até uma “lacuna de Coulomb”, uma característica bem conhecida, embora raramente observada em semicondutores desordenados. Curiosamente, esse efeito desaparece à temperatura ambiente e a tendência esperada é recuperada.
“Lacunas de Coulomb são notoriamente difíceis de observar em medições elétricas, porque elas só se tornam visíveis quando o material não consegue encontrar sua configuração mais estável”, acrescentou Jacobs. “Por outro lado, conseguimos ver esses efeitos em temperaturas muito mais altas do que o previsto, apenas cerca de -30°C.”
“Acontece que em nosso material, os íons congelam; isso pode acontecer em temperaturas relativamente altas”, disse Ren. “Se adicionarmos ou removermos elétrons quando os íons estiverem congelados, o material estará em um estado de não equilíbrio. Os íons prefeririam reorganizar e estabilizar o sistema, mas não podem porque estão congelados. Isso nos permite ver a lacuna de Coulomb.”
Geralmente, há um tradeoff entre a saída de energia termoelétrica e a condutividade, uma aumenta enquanto a outra diminui. No entanto, devido à lacuna de Coulomb e aos efeitos de não equilíbrio, ambos podem ser aumentados juntos, o que significa que o desempenho pode ser melhorado. A única limitação é que o gate de efeito de campo atualmente afeta apenas a superfície do material. Se a maior parte do material puder ser afetada, isso aumentaria a potência e a condutividade para magnitudes ainda maiores.
Embora o grupo ainda tenha algum progresso a fazer, o artigo de pesquisa descreve um método claro para melhorar o desempenho de semicondutores orgânicos. Com perspectivas empolgantes no campo da energia, o grupo deixou a porta aberta para mais investigações dessas propriedades. “O transporte nesses estados de não equilíbrio provou mais uma vez ser uma rota promissora para melhores dispositivos termoelétricos orgânicos”, disse Tjhe.
Referência: “Transporte fora de equilíbrio em condutores iônicos-eletrônicos mistos de polímeros em densidades de carga ultra-altas” por Dionisius HL Tjhe, Xinglong Ren, Ian E. Jacobs, Gabriele D'Avino, Tarig BE Mustafa, Thomas G. Marsh, Lu Zhang, Yao Fu, Ahmed E. Mansour, Andreas Opitz, Yuxuan Huang, Wenjin Zhu, Ahmet Hamdi Unal, Sebastiaan Hoek, Vincent Lemaur, Claudio Quarti, Qiao He, Jin-Kyun Lee, Iain McCulloch, Martin Heeney, Norbert Koch, Clare P. Grey, David Beljonne, Simone Fratini e Henning Sirringhaus, 26 de julho de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01953-6