استفاده از نیمه هادی ارگانیک در ساخت ادوات ارزان و کم انرژی ممکن شد

نیمه‌هادی‌ها در دستگاه‌هایی مانند تلویزیون‌های  LED برای تبدیل جریان الکتریکی به نور مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ و در سلول‌های فتوولتائیک، که انرژی نور را جذب و آن را به برق تبدیل می‌کنند نیز به کار می‌روند. آنچه در مورد نیمه ‌هادی‌های معدنی مرسوم است این است که این نوع نیمه‌هادی‌ها اغلب در ادوات بر پایه سیلیکون استفاده می‌شوند. با این حال تولید این نوع نیمه هادی‌ها دشوار و نیازمند صرف انرژی و هزینه بالایی است. به طوری که تخمین زده می‌شود، سلول‌های خورشیدی ساخته شده از سیلیکون یک سال طول بکشد تا کل انرژی مصرف شده در تولید خود را بازگردانند.

با وجود تلاش‌هایی که در سه دهه گذشته به منظور توسعه نیمه‌هادی‌های آلی در مقیاس انبوه انجام شده‌اند، دانشمندان با این واقعیت که این نوع نیمه هادی‌ها در هدایت الکتریسیته کمتر کارآمد هستند به چالش کشیده شده‌اند.

 

ضعف هدایت الکتریکی

به تازگی گروهی از پژوهشگران دانشگاه باث با همکاری دانشمندانی از آلمان و هلند، دریافتند که چگونه صنعت الکترونیک می‌تواند بر برخی از مشکلات موجود در ارتباط با استفاده از نیمه هادی‌های آلی غلبه کند.

دکتر دانیل دی نوزو، مدیر تحقیقات فیزیک دانشگاه باث و نویسنده اول مقاله این تحقیق، توضیح می‌دهد: « ساخت ادوات نیمه هادی تجاری ریسک بالایی دارد به این دلیل که برای ساخت آنها ابتدا باید مواد بلوری را ساخت که نیاز به صرف انرژی بالایی دارند.»

« در مقابل، نیمه هادی آلی را می توان از طریق تکنیک‌های چاپ، پردازش نمود. به عنوان مثال، پلیمر نیمه هادی آلی را می توان در یک حلال حل کرد تا جوهر الکترونیکی حاصل را بتوان روی سطح چاپ کرد. با این حال نیمه‌ هادی‌های آلی ساختار بی نظمی دارند و بارهای الکتریکی را کمتر از سیلیکون هدایت می‌کنند.»

یکی از راه های بهبود خواص الکتریکی نیمه هادی آلی، مخلوط کردن آنها با مولکول‌های دوپینگ است و این مولکول‌ها بارهای الکتریکی به پلیمر اضافه می‌کنند.

دی نوزو در ادامه می‌گوید: « در حال حاضر پیاده سازی روش دوپینگ به روشی موثر برای تولید ادوات نیمه هادی آلی با عملکرد بالا بسیار دشوار است. تحقیق ما نشان می دهد که چگونه می توانیم عملکرد این مواد را بهبود ببخشیم.»

نتایج این مطالعه که در مجله «نیچر کامیونیکیشن» منتشر شده است، نشان می‌دهد که اندازه و موقعیت هندسی مولکول دوپینگی که استفاده می‌شود تاثیر زیادی در بازده ماده نیمه هادی دارد.

دکتر انریکو دا کومو از دانشکده فیزیک دانشگاه باث، که سرپرستی این تحقیق را برعهده دارد، توضیح می‌دهد: « پلیمر ماده‌ای شامل مولکول‌های بزرگی است که از به هم پیوستن واحدهای کوچک تکرار شونده که تکپار یا مونومر نامیده می‌شوند، ساخته می‌شود. پلیمر آلی نیز متشکل از زنجیره‌ای از واحدهایی است که قبل از عملیات چاپ روی سطح با مولکول دوپینگ مخلوط می‌شوند. ما دریافتیم که مولکول دوپینگ می‌تواند به پلیمر از چندین جهت مختلف متصل شود، که برخی از این جهات اتصال، نیمه هادی را موثرتر از دیگر جهات می‌سازد.»

"کار ما نشان می دهد که اگر از یک مولکول دوپینگ بزرگتر استفاده شود، تعداد روش‌هایی که این مولکول می تواند به پلیمر متصل شود محدود شده و بازده نیمه هادی بهتر می‌شود.»

 

خاصیتی بین عایق و رسانا

ماده نیمه‌هادی در حالت عادی عایق است، اما با افزودن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می‌کند که منظور از ناخالصی عنصر یا عناصر (دوپنت) دیگری غیر از عنصر اصلی یا پایه است. برای مثال اگر عنصر پایه سلیسیوم باشد ناخالصی می‌تواند آلومنیوم یا فسفر باشد. نیمه‌‌هادی‌ها در نوار ظرفیت خود چهار الکترون دارند و میزان مقاومت الکتریکی آنها بین رساناها و نارساناها قرار دارد. از نیمه هادی‌ها برای ساخت ادواتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی و … استفاده می‌شود. ظهور نیمه رساناها انقلاب عظیمی در علم الکترونیک ایجاد کرد به طوری که اختراع رایانه نیز یکی از دستاوردهای این انقلاب است.

نیمه هادی آلی نیز یک ماده آلی با خواص نیمه‌هادی یا نیمه‌رسانا است، برای مثال هدایت الکتریکی آن بین عایق و فلز قرار دارد. یک مولکول منفرد، الیگومر و پلیمرهای آلی می توانند خاصیت نیمه‌رسانا از خود بروز دهند. این مواد آلی نقش مهمی در دیودهای گسیل دهنده نور (LED)، ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) و سلول‌های فتوولتائیک دارند. از آنجا که این نوع نیمه‌هادی‌ها می‌توانند از حالت محلول چاپ شوند لذا گزینه‌های ارزان و مقیاس‌پذیری برای ادوات مبتنی بر سیلیکون به حساب می‌آیند.

نیمه‌هادی‌های آلی مبتنی بر قابلیت کربن برای تشکیل مولکول‌های بزرگتر مثل بنزن و پنتاسن هستند. فلزات آلی توسط روش پردازش به حالت محلول، معمولا به شکل لایه‌های کریستالی در‌می‌آیند و نیازی به استفاده از روش‌های پخت پرهزینه و با حرارت بالا که در سیلیکون و سایر نیمه‌هادی‌های معدنی ضروری است ندارند. با وجود اینکه مدت‌ها قبل روشن شده بود که حدفاصل حوزه‌های کریستالی در لایه‌های نازک نیمه‌هادی آلی برای عملکرد آنها در ادوات یک عامل بحران‌زا به حساب می‌آیند اما اخیرا اطلاعات دقیقی در مورد مورفولوژی این حدفاصل‌ها به دست آمده است.

ادوات مبتنی بر نیمه هادی نیز قطعات الکترونیکی هستند که از خواص الکترونیکی مواد نیمه هادی، عمدتا سیلیکون، ژرمانیوم، و گالیم آرسنید، و همچنین نیمه هادی‌های آلی استفاده می کنند. ادوات نیمه هادی جایگزین کاربردهای دستگاه‌های گرمایونی (لوله خلاء) شده اند. آنها از هدایت الکترونیکی در حالت جامد استفاده می کنند که با حالت گازی یا گسیل گرمایونی در خلاء کاملا متضاد است. ادوات نیمه هادی، به هر دو صورت ادوات گسسته تکی و مدارات مجتمع یکپارچه (ICS)، که شامل میلیاردها دستگاه تولید شده و به هم پیوسته در بستر یک نیمه هادی و یا ویفر هستند ساخته می شوند.

 

آزاد شدن الکترون توسط برخورد نور

سلول‌های خورشیدی بر اساس پدیده‌ای به نام فتوولتائیک کار می‌کنند که بخشی ازمكانیک كوانتوم است. فوتون ورودی در مسیر خود به مواد نیمه رسانا مانند كریستال‌های سیلیكون برخورد می‌كند و الكترون‌هایی را كه می توانند برای ایجاد جریان استفاده شوند را آزاد می‌كند. مانند تمامی اثرهای كوانتومی، احتمال وقوع پدیده یا حتمی است یا هرگز صورت نمی‌گیرد به طوری اگر فوتونی كه می‌آید انرژی كمی داشته باشد، الكترون را هرگز برنخواهد انگیخت و اگر انرژی آن بسیار زیاد باشد، انرژی اضافی به هدر می‌رود.

ثمین موتمن فر / کارشناس ارشد الکترونیک

منبع

No tags for this post.