Naukowcy rozwinęli dziesięcioletnie wyzwanie w dziedzinie półprzewodników ekologicznych, otwierając nowe możliwości przyszłości elektroniki.
Naukowcy, prowadzeni przez University of Cambridge i Eindhoven University of Technology, stworzyli ekologiczny półprzewodnik, który zmusza elektrony do poruszania się w spiralnym wzorze, co może poprawić wydajność wyświetlaczy OLED na ekranach telewizyjnych i smartfonach, lub technologie komputerowe nowej generacji mocy, takie jak spintronics i kwantowe komputerowanie.
Półprzewodnik, który opracował, emituje okrągło spolaryzowane światło – co oznacza, że światło przenosi informacje o „ręce” elektronów. Wewnętrzna struktura większości nieorganicznych półprzewodników, takich jak krzem, jest symetryczna, co oznacza, że elektrony poruszają się po nich bez preferowanego kierunku.
Jednak w naturze cząsteczki często mają chiralną (lewą lub praworęczną) strukturę: jak ludzkie ręce, cząsteczki chiralne są lustrzanymi obrazami. Chiralność odgrywa ważną rolę w procesach biologicznych, takich jak tworzenie DNA, ale trudno jest uprządzić i kontrolować elektronikę.
Ale wykorzystując sztuczki projektowe molekularne inspirowane naturą, naukowcy byli w stanie stworzyć chiralny półprzewodnik poprzez szturchanie stosów cząsteczek półprzewodnikowych w celu utworzenia uporządkowanych kolumn spiralnych praworęcznych lub leworęcznych. Ich wyniki są zgłaszane w czasopiśmie Science.
Jedna obiecująca aplikacja dla chiralnych półprzewodników jest technologia wyświetlania. Wyświetlacze obecne często marnują znaczną ilość energii ze względu na sposób, w jaki ekrany filtrują światło. Chiralny półprzewodnik opracowany przez naukowców naturalnie emituje światło w sposób, który może zmniejszyć te straty, czyniąc ekrany jaśniejsze i bardziej energooszczędne.
„Kiedy zacząłem współpracować z ekologicznymi półprzewodnikami, wiele osób wątpiło w ich potencjał, ale teraz dominują w technologii wyświetlania”-powiedział profesor Sir Richard Friend z Cambridge's Cavendish Laboratory, który wspomniał o badaniach. „W przeciwieństwie do sztywnych nieorganicznych półprzewodników, materiały molekularne oferują niesamowitą elastyczność – pozwalając nam projektować zupełnie nowe konstrukcje, takie jak chiralne diody LED. To jak praca z zestawem Lego o każdym kształcie, który możesz sobie wyobrazić, a nie tylko prostokątne cegły”.
Semiconductor oparty jest na materiale zwanym triazatruksenem (TAT), który samoorganizuje się w spiralny stos, umożliwiając elektrony spiralne wzdłuż jego konstrukcji, podobnie jak gwint śruby.
„Podekscytowany niebieskim lub ultrafioletowym światłem, samoorganizujący się TAT emituje jasnozielone światło o silnej okrągłej polaryzacji-efekt, który do tej pory był trudny do osiągnięcia w półprzewodnikach”, powiedział autor First Marco Preuss z Uniwersytetu Eindhoven University of Technology. „Struktura TAT pozwala elektronowi skutecznie poruszać się, jednocześnie wpływając na sposób emitowania światła”.
Modyfikując techniki wytwarzania OLED, naukowcy z powodzeniem włączyli TAT do działających okrągłego spolaryzowanych OLED (CP-OLED). Urządzenia te wykazały rekordową wydajność, jasność i poziomy polaryzacji, co czyni je najlepszymi w swoim rodzaju.
„Zasadniczo przerobiliśmy standardowy przepis na wytwarzanie OLED, tak jak my w naszych smartfonach, pozwalając nam zatrzymać chiralną strukturę w stabilnej, nietrystalizującej matrycy”, powiedział autor First Rituparno Chowdhury, z Camendish Laboratory. „Stanowi to praktyczny sposób tworzenia okrągłego spolaryzowanych diod LED, co od dawna wymyka się pole”.
Praca jest częścią dziesięciolecia współpracy między grupą badawczą Friend i grupy profesora Berta Meijera z Uniwersytetu Technologii Eindhoven. „To prawdziwy przełom w tworzeniu chiralnego półprzewodnika” – powiedział Meijer. „Starannie projektując strukturę molekularną, połączyliśmy chiralność struktury z ruchem elektronów i nigdy wcześniej nie zostało to zrobione na tym poziomie”.
Chiralne półprzewodniki stanowią krok naprzód w świecie półprzewodników ekologicznych, które obecnie wspierają branżę o wartości ponad 60 miliardów dolarów. Oprócz wyświetlaczy ten rozwój ma również implikacje dla obliczeń kwantowych i spintronics – dziedziny badań, które wykorzystują spin lub nieodłączne pęd kątowy, elektronów do przechowywania i przetwarzania informacji, potencjalnie prowadzących do szybszych i bezpieczniejszych systemów obliczeniowych.
Badania zostały częściowo wspierane przez sieć szkoleń Marie Curie w Unii Europejskiej i Europejskiej Rady Badań. Richard Friend jest członkiem St John's College, Cambridge. Rituparno Chowdhury jest członkiem Fitzwilliam College, Cambridge.