Nowe badania ujawniają rolę przenoszenia ładunku w materiałach organicznych
Badacze pracujący przy projekcie ELECTROMAT(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (Electronic transport in organic materials) zajęli się opracowaniem ram teoretycznych i platformy obliczeniowej dla potrzeb powiązania struktury materiału organicznego z jego własnościami elektrycznymi. Półprzewodniki organiczne mogą być wrażliwe na efekty polaronowe, co uniemożliwiałoby wydajne przenoszenie ładunku. Z tego względu pierwszym zadaniem badaczy było poznanie istoty nośników ładunku w kryształach organicznych. Szczegółowe badanie sprzężeń elektronów i fononów w kryształach poliacenowych wykazało, że sprzężenie to jest zbyt słabe, by powodować powstawanie polaronów. Następnie partnerzy projektu ELECTROMAT opracowali metodę symulowania przenoszenia ładunku w kryształach organicznych. W ramach nowej metody zastosowano obliczenia ab initio uwzględniające właściwości kwantowe zarówno fononów, jak i elektronów. Dane dotyczące mobilności nośników wraz ze spadkiem lub wzrostem temperatury były w znacznej mierze zgodne z danymi z doświadczeń na poliacenowych kryształach organicznych. Dane teoretyczne były zgodne z doświadczalnymi również w odniesieniu do krystalicznych kropek kwantowych. W przypadku tych ciał stałych stwierdzono, że głównym mechanizmem przewodzenia są przeskoki małych polaronów. W zależności od warunków przetwarzania materiały z polimerów o wiązaniach sprzężonych mogą mieć bardzo złożoną strukturę: niektóre ich części są uporządkowane, a inne stanowią chaotyczną plątaninę. Dotychczas brakowało dokładnej wiedzy na temat roli, jaką w przenoszeniu ładunku odgrywają obszary przejścia między regionami krystalicznymi i amorficznymi. Analizując dwa różne typy obszarów przejścia, badacze stwierdzili, że przenoszenie ładunku następuje w domenach krystalicznych. Domeny amorficzne stanowią silne bariery dla nośników ładunku. W odróżnieniu od zjawisk występujących w kryształach organicznych powstających z małych cząsteczek, w obszarze przejścia nie stwierdzono powstawania stanów pułapkowych. Dzięki symulacjom poznano też dokładnie przenoszenie ładunku w uporządkowanych i nieuporządkowanych polimerach o wiązaniach sprzężonych. Czy granice ziarna w kryształach organicznych wpływają negatywnie na przenoszenie ładunku? Badacze stwierdzili, że granice ziarna wprowadzają stany pułapkowe w obrębie przerwy energetycznej materiału. Ich pozycje w przestrzeni i energie można przewidzieć jedynie na podstawie układu geometrycznego cząsteczek w pobliżu granicy. Ponadto funkcje falowe tych stanów są zlokalizowane na blisko rozmieszczonych parach cząsteczek po drugiej stronie granicy. Materiały organiczne mogą stanowić tanią alternatywę przy produkcji ogniw słonecznych, tranzystorów polowych, diod świecących, a nawet akumulatorów polimerowo-litowych do samochodów. Wyniki projektu ELECTROMAT dotyczące przenoszenia ładunku w takich materiałach powinny mieć znaczący wpływ socjoekonomiczny.
