Un nuovo studio rivela il ruolo del trasporto di carica nei materiali organici

I semiconduttori organici sono molto promettenti per l’utilizzo come elementi attivi nelle celle solari o nei dispositivi optoelettronici. La delucidazione del loro meccanismo di trasporto di carica, che definisce le prestazioni del dispositivo, riguarda l’obiettivo di un team finanziato dall’UE.

Tecnologie industriali

Nell’ambito del progetto ELECTROMAT (Electronic transport in organic materials), i ricercatori hanno lavorato per sviluppare un quadro teorico e computazionale in grado di collegare la struttura atomica del materiale organico alle sue proprietà elettriche. I semiconduttori organici possono essere sensibili agli effetti polaronici, il che significa che non possono trasportare cariche in modo efficace. Tenendo conto di questo, il primo compito è stato quello di identificare la natura dei portatori di carica nei cristalli organici. Uno studio dettagliato sull’accoppiamento elettrone-fonone nei cristalli di poliacene ha dimostrato che tale accoppiamento non è abbastanza forte da portare alla formazione di polaroni. Successivamente, il team ELECTROMAT ha sviluppato una metodologia per simulare il trasporto di carica nei cristalli organici. Il metodo ha coinvolto l’utilizzo di calcoli ab-initio, che hanno preso in considerazione la natura quantistica di fononi ed elettroni. I dati riguardanti la mobilità dei portatori di carica con aumento o diminuzione della temperatura sono in buon accordo con i dati sperimentali riguardanti i cristalli organici di poliacene. I dati teorici hanno inoltre soddisfatto quelli sperimentali in relazione ai cristalli a punti quantici. Per tali solidi, il team ha scoperto che un piccolo hopping dei polaroni costituisce il meccanismo di conduzione in questione. A seconda delle condizioni di lavorazione, i materiali polimerici coniugati possono avere una struttura complessa; alcune parti sono disposte in modo ordinato e altre formano una massa aggrovigliata. Il ruolo dell’interfaccia tra regioni cristalline e amorfe nel trasporto di carica non è ben compreso. Considerando due tipi di interfaccia differenti, i ricercatori hanno scoperto che il trasporto di carica avviene attraverso domini cristallini. I domini amorfi fungono da alte barriere per i portatori di carica. Contrariamente a quanto accade nei cristalli organici a livello delle piccole molecole, non è stata osservata alcuna formazione di stati trappola all’interfaccia. Inoltre, attraverso simulazioni, i ricercatori hanno acquisito una conoscenza approfondita del trasporto di carica nei polimeri coniugati altamente disordinati e ordinati. I bordi di grano presenti nei cristalli organici sono dannosi per il trasporto di carica? Il team ha scoperto che i bordi di grano introducono stati trappola all’interno dell’intervallo proibito relativo al materiale. Le loro posizioni spaziali ed energie possono essere previste esclusivamente dalla disposizione geometrica delle molecole nei pressi del bordo. Per di più, le funzioni d’onda di tali stati sono localizzate su coppie ravvicinate di molecole provenienti da tutto il bordo. I materiali organici offrono un’alternativa a basso costo per l’utilizzo in celle solari, transistor a effetto di campo, diodi a emissione di luce e anche all’interno di batterie per auto con polimeri di litio. Si ritiene che le scoperte ELECTROMAT riguardanti il trasporto di carica all’interno di tali materiali avranno un forte impatto socio-economico.