22 اکتبر 2021توسط RIKEN
شکل 1: تصاویر میکروسکوپی نوری از یک کریستال MT-pyrene ذوزنقه طلایی. عملکرد ترانزیستور اثر میدان را افزایش داد. اعتبار: RIKEN Center for Emergent Matter Science
شیمیدانان RIKEN دریافته‌اند که افزودن یک گروه شیمیایی ساده و حاوی گوگرد به یک مولکول نیمه هادی می‌تواند عملکرد مولکول را در ترانزیستور به طرز چشمگیری افزایش دهد. این نشان می‌دهد که خواص نیمه هادی‌های مبتنی بر کربن را می‌توان با ترکیب این گروه‌ها تنظیم کرد.
اکثر دستگاه‌های الکترونیکی در حال حاضر بر اساس سیلیکون ساخته شده‌اند. با این حال، مولکول‌های نیمه هادی ارگانیک راهی برای ساخت دستگاه‌های ارزان‌تر و انعطاف‌پذیر مانند صفحه نمایش، سنسورهای پوشیدنی و برچسب‌های تشخیص یکبار مصرف فرکانس رادیویی ارائه می‌دهند. اما اکثر نیمه رساناهای ارگانیک هنوز نمی‌توانند با عملکرد رقبای سیلیکونی خود مطابقت داشته باشند.
دو نیمه هادی معیار آلی پنتاسن و مشتق آن TIPS- پنتاسن هستند. آن‌ها حاوی الکترون‌هایی هستند که در مولکول‌ها پخش می‌شوند و به اصطلاح سیستم p-conjugated را تشکیل می‌دهند که به انتقال بار الکتریکی کمک می‌کند.
در کریستال‌های پنتاسن، مولکول‌ها، یک ساختار مشترک برای نیمه رساناهای آلی، مرتب شده‌اند. وقتی این الگوهای استخوان ماهی شکل یک ساختار ساندویچی مانند را تشکیل می‌دهند، انتقال بار بسیار ضعیف است. در مقابل، مولکول‌های TIPS-pentacene دارای الگوی غیر معمول‌تر هستند-مانند آجرها روی دیوار چیده شده‌اند. این امر پیوند مولکول‌ها را به گونه‌ای شکل می‌دهد که انتقال بار را بهبود می‌بخشد و تاثیر نواقص در بلور را کاهش می‌دهد. با این حال، اطمینان از اینکه نیمه رساناهای جدید آلی از ساختار آجری استفاده می‌کنند، دشوار بوده است.
در حال حاضر، Kazuo Takimiya از مرکز RIKEN for Emergent Matter Science و همکارانش دریافته‌اند که افزودن گروه‌های متیلتیو (CH3S–) به نیمه رساناهای آلی می‌تواند به مولکول‌ها در شکل گیری این الگوی مفید کمک کند.
محققان روش خود را روی مولکولی به نام پیرن آزمایش کردند و هر مولکول را با دو یا چهار گروه متیلتیو تغییر دادند. پیرن به خودی خود دارای ساختار ساندویچ تیغ ماهی است، اما ترکیب حامل چهار گروه متیلتیو، به نام MT-pyrene، دارای ساختار آجری بود.
این گروه سپس صفحات ضخامت 50-150 نانومتر از MT- پیرن کریستالی را تولید کردند و از آن‌ها برای تولید 26 ترانزیستور اثر میدان استفاده کردند. همه دستگاه‌ها عملکرد خوبی داشتند و یکی از بالاترین تحرکات شارژ ثبت شده برای هر نیمه هادی ارگانیک با ساختار آجری را به نمایش گذاشتند.
محققان دریافتند که وقتی هر مولکول دارای چهار گروه متیلتیو بود، برهمکنش های خاصی بین مولکول‌های همسایه را مختل می‌کردند. این امر مانع از ایجاد یک ساختار ساندویچ تیغ ماهی می‌شود و تضمین می‌کند که آن‌ها فقط می‌توانند مانند آجر روی هم قرار بگیرند. این امر برهمکنش بین الکترون‌های p را بهینه کرده و در نهایت انتقال بار را افزایش می‌دهد.
تیم اطمینان دارد که این استراتژی را می‌توان به سایر مولکول‌های آلی نیز تعمیم داد. تاکیمیا می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم که متیل تیولاسیون یک رویکرد امیدوار کننده است که می‌تواند در بسیاری از نیمه رساناهای ارگانیک دیگر به کار گرفته شود.» این تیم در نظر دارد نحوه تأثیر سایر گروه‌های شیمیایی ساده بر ساختار بلوری مواد را ارزیابی کند. آن‌ها همچنین امیدوارند که روش‌های ساده‌تری برای تولید مقادیر بیشتری از این بلورها توسعه دهند.
