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Elektronen in Halbleitern beschleunigen

19.10.2018

Figure adapted with permission from the front cover of Macromol. Chem. Phys. 18/2018. Copyright © 2018, John Wiley and Sons

Chemische Struktur von Poly(P3HT)-b-(PSt) und ein Diagramm von plausiblen Lochtransportwegen in P3HT-b-PSt.

Forscher der Graduate School of Bio-Applications and Systems Engineering der Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) haben die Bewegung von Elektronen in organischen Halbleiterschichten um zwei bis drei Größenordnungen beschleunigt. Die schnellere Elektronik könnte nach Ansicht der Wissenschaftler zu einer verbesserten Nutzung von Solarstrom und Transistoren auf der ganzen Welt führen.

Unter der Leitung von Kenji Ogino, Professor an der Graduate School of Bio-Applications and Systems Engineering an der TUAT, Japan, fand das Team heraus, dass die Zugabe von Polystyrol das halbleitende Polymer verbessern könnte, indem es Elektronen ermöglicht, sich schnell von einer Ebene zur anderen zu bewegen. Der Prozess, genannt Lochmobilität, ist die Art und Weise, wie sich Elektronen durch ein aus mehreren Schichten bestehendes elektrisches Feld bewegen. Wenn einem Molekül ein Elektron fehlt, kann ein Elektron aus einer anderen Ebene springen oder fallen und an seine Stelle treten.

Durch verschiedene bildgebende Verfahren ist es relativ einfach, den Elektronenpfad in den kristallinen Strukturen zu verfolgen. In vielen halbleitenden Polymeren verschlingen sich jedoch die sauberen, definierten Linien des kristallinen Skeletts mit einem viel schwieriger zu definierenden Bereich. Es wird eigentlich die amorphe Domäne genannt.

"[Elektronen] transportieren sowohl in kristallinen als auch in amorphen Bereichen. Um die gesamte Elektronenmobilität zu verbessern, ist es notwendig, die Art der amorphen Domäne zu kontrollieren", sagte Ogino. "Wir fanden heraus, dass die Lochmobilität durch die Einführung von Polystyrolblocks und die damit verbundene Erhöhung des Verhältnisses der starren amorphen Domäne außerordentlich verbessert wurde."

Die Forscher glauben, dass die Art und Weise, wie sich die kristalline Domäne in sich selbst verbindet, am effektivsten durch die starre amorphe Domäne erfolgt. Die Zugabe von Polystyrol führte zu einer amorphen Domäne, die jedoch durch flexible Ketten von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen enthalten ist. Obwohl die Ketten flexibel sind, bietet sie der amorphen Domäne Steifigkeit und ein gewisses Maß an Kontrolle.
Elektronen bewegten sich zwei- bis dreimal schneller als normal.

"Die Einführung einer flexiblen Kette in teilkristallinen Polymeren ist eine der vielversprechenden Strategien, um die verschiedenen Funktionalitäten von Polymerfolien zu verbessern, indem die Eigenschaften der amorphen Domäne verändert werden", sagte Ogino. "Wir schlagen vor, dass die starre amorphe Domäne eine wichtige Rolle beim Lochtransport spielt."

Eine verbesserte Lochmobilität ist laut Ogino ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung effizienterer Solargeräte. Als nächstes wollen Ogino und die Forscher untersuchen, wie sich die verbesserte Lochmobilität auf andere Parameter auswirkt, wie z.B. die chemische Zusammensetzung und Position der Strukturen innerhalb der Polymerfolie.

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