Các nhà nghiên cứu ở Đức đã tạo ra bóng bán dẫn lưỡng cực đầu tiên được làm từ chất bán dẫn hữu cơ. Bóng bán dẫn mới tự hào có hiệu suất vượt trội, kiến trúc dọc và khuếch đại vi sai cao, đồng thời có thể tìm thấy các ứng dụng trong thiết bị điện tử linh hoạt và màng mỏng hiệu suất cao, nơi dữ liệu phải được phân tích và truyền ở tốc độ cao.
Các bóng bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại làm công tắc điều khiển dòng chảy của các hạt mang điện - điện tử hoặc lỗ trống - qua một mạch điện. Các bóng bán dẫn lưỡng cực đặc biệt vì chúng sử dụng cả electron và lỗ trống, và khả năng bổ sung này có nghĩa là chúng rất phù hợp với các ứng dụng tốc độ cao và công suất lớn. Việc chế tạo chúng từ chất bán dẫn hữu cơ, thay vì chất bán dẫn vô cơ, có thể mang lại cho các nhà thiết kế điện tử phạm vi để làm cho các thiết bị tốc độ cao và năng lượng cao như vậy linh hoạt và trong suốt.
Một nhóm do Karl Leo of TU Dresden hiện đã thực hiện một bước hướng tới mục tiêu này bằng cách chế tạo một bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực hữu cơ từ các màng mỏng (tinh thể) có trật tự cao của một chất bán dẫn hữu cơ được gọi là rubrene. Vật liệu này có tính di động cao, có nghĩa là các hạt mang điện di chuyển qua nó cực kỳ nhanh và trên một khoảng cách xa.
Tầng tầng lớp lớp
Các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực bao gồm ba thiết bị đầu cuối được phân tách bằng vật liệu bán dẫn loại p hoặc loại n. Trong các thiết bị, các chất bán dẫn này được sắp xếp xen kẽ, theo cấu hình pnp hoặc npn.
Nhóm của Leo trước đây đã chế tạo cả màng rubrene loại p và n, nhưng trong công trình mới nhất, họ đã thực hiện thêm bước kỹ thuật hóa các màng này trên một lớp rubrene tinh thể rất mỏng dày khoảng 20 nm. Sau đó, các màng đóng vai trò hạt giống cho các lớp p- và n- tiếp theo cũng như các lớp thuộc loại i - nghĩa là chúng không phải là n- hay p- và do đó không mang các hạt mang điện tích âm và dương. Leo giải thích: “Trong khi những bộ phim như vậy đã được thực hiện trước đây, chúng tôi là những người đầu tiên pha tạp điện và nhận ra các ngăn xếp thiết bị phức tạp.
Đặc điểm thiết bị
Các nhà nghiên cứu ước tính rằng tần số chuyển đổi của thiết bị mới của họ - về cơ bản, là thước đo tốc độ của nó - là 1.6 GHz. Con số này cao hơn nhiều so với kỷ lục đối với bóng bán dẫn hiệu ứng trường hữu cơ (OFET), là 40 MHz cho thiết bị có cấu hình theo chiều dọc và 160 Hz đối với thiết bị có cấu hình theo chiều ngang. Tuy nhiên, Leo lưu ý rằng tốc độ trên mỗi điện áp của thiết bị là thước đo phù hợp hơn cho hiệu suất của nó. Ông nói: “Ở đây, thiết bị mới với khoảng 400MHz / V nhanh hơn gần một trăm lần so với các bóng bán dẫn hữu cơ trước đây.
Bóng bán dẫn hữu cơ đạt đến tầm cao mới
Còn hơn thế nữa, Leo kể Thế giới vật lý rằng các bóng bán dẫn mới của nhóm có thể được sử dụng để xác định một thông số thiết bị quan trọng cho các vật liệu hữu cơ: chiều dài khuếch tán sóng mang thiểu số. Tham số này, là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu quả của thiết bị, là khoảng cách mà hạt tải điện thiểu số (electron trong chất bán dẫn loại p; lỗ trống trong chất bán dẫn loại n) có thể di chuyển trước khi nó tái kết hợp với một hạt mang điện tích trái dấu. Trong silicon, số lượng này có thể có chiều dài nhiều micrômet. Giá trị của chất hữu cơ dự kiến sẽ nhỏ hơn nhiều, nhưng về cơ bản thì người ta chưa biết về loại vật liệu này, Leo nói.
Trong các lớp có thứ tự cao được sử dụng trong nghiên cứu này, nhóm TU Dresden đã xác định rằng độ dài khuếch tán sóng mang thiểu số là 50 nm, đủ dài để làm cho các bóng bán dẫn hoạt động tốt. Tuy nhiên, Leo nhấn mạnh rằng vẫn cần các nghiên cứu sâu hơn để xác định các thông số nào của vật liệu kiểm soát lượng này và làm thế nào nó có thể được tối ưu hóa.
Theo các nhà nghiên cứu, bóng bán dẫn mới có thể được sử dụng trong các ứng dụng như xử lý tín hiệu và truyền dẫn không dây, trong đó dữ liệu phải được phân tích và truyền với tốc độ cao. Hiện họ đang làm việc để giảm dòng điện rò rỉ trong thiết bị, cho phép họ đo trực tiếp tốc độ hoạt động của nó. Leo tiết lộ: “Chúng tôi cũng muốn tổng quát hóa việc áp dụng kỹ thuật lớp có thứ tự cao cho các thiết bị khác.
Nhóm mô tả công việc trong Thiên nhiên.
