让半导体更加环保
加利福尼亚州的硅谷和犹他州的硅坡以与半导体最相关的元素命名，而半导体是计算机革命的支柱。任何计算机化或电子化的东西都依赖于半导体，半导体是一种在某些条件下具有传导电流特性的物质。传统的半导体是由无机材料(如硅)制成的，需要大量的水和能源来生产。
穆罕默德·杜汉季奇(MuhamedDuhandžić)持有两块有机半导体——蓝色聚合物掺杂了碘掺杂剂。
多年来，科学家们一直试图使用聚合物等有机材料制造环保的替代品。聚合物是通过将小分子连接在一起形成长链而形成的。聚合过程避免了传统半导体制造中所需的许多能源密集型步骤，并且使用的水、气体和化学品也少得多。它们的制造成本也很低，并且可以实现柔性电子产品、可穿戴传感器和可引入体内的生物相容性设备。问题是它们的导电性虽然很好，但不如无机同类材料高。
所有电子材料都需要掺杂，这是一种将分子注入半导体以提高导电性的方法。科学家使用称为掺杂剂的分子来定义电路的导电部分。有机材料中的掺杂一直困扰着科学家，因为缺乏一致性——掺杂剂有时会提高电导率，有时却会使电导率变得更糟。
在一项新研究中，犹他大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员发现了驱动掺杂剂和聚合物相互作用的物理原理，从而解释了电导率不一致的问题。
带正电的载流子被聚合物链中带负电的掺杂剂拉回，从而阻止电流流动并降低材料的导电性。研究小组发现，当足够的掺杂剂注入系统时，电子的行为发生变化，充当抵抗吸引力的集体屏障，使其余电子能够畅通无阻地流动。
“理想的情况是将一堆自由电子倒入材料中以完成导电工作。当然，我们不能——我们必须使用分子来提供电子，”该研究的主要作者、美国大学材料科学与工程副教授ZlatanAkšamija说。“我们的下一步是找到可以削弱这种相互作用并使电导率更高的掺杂剂/有机材料组合。但直到现在我们还没有充分理解这种相互作用，无法解决这个问题。”
电是电子的流动。硅本身是一种不良导体——外层轨道中的四个电子与附近的硅原子形成完美的共价键，不留下自由电子。这就是掺杂的用武之地。在硅中添加杂质可以做两件事：为系统贡献额外的电子;或者减少系统中的电子，产生称为空穴的带正电的载流子。例如，砷是一种常见的掺杂剂，因为它的外轨道有五个电子——四个将与硅键合，第五个将保持自由状态。最终，掺杂剂将提供足够的自由电子以允许电流流过硅。
Akšamija解释说，与硅不同，有机材料的聚合物链具有无序结构，导致掺杂剂的额外电子与聚合材料之间产生复杂的相互作用。
“想象一下聚合物是一碗面条。它们并没有真正完美地叠加。因此，电子被迫从聚合物的一个部分跳到另一个部分，并在电压的推动下跳到下一条链上，”他说。
每种掺杂剂一次向系统贡献一个电子，这意味着，首先，穿过聚合物的电子被稀释。如果电子沿着链跳跃并经过掺杂剂附近，相反的电荷将相互吸引，导致电子偏离轨道并破坏电流。这项研究的启示是，这种行为会随着系统中电子的临界质量而改变——当超过阈值时，电子群会集体做出反应。当一组电子通过掺杂剂时，一些电子被拉向电荷并形成一个屏障，阻止其余电子感受到相互作用。
“这就是筛选真正起到阻止掺杂剂作用的地方。载流子正在筛选掉掺杂剂，以便其他载流子更容易更有效地跳跃。这篇论文描述了发生这种情况的物理机制。”Akšamija说。
实验与理论
麻省大学阿默斯特分校的化学家进行了物理实验。他们使用了两种结构或多或少无序的聚合物。然后他们使用溶剂并将其涂在一层薄薄的玻璃上。然后他们用碘蒸气掺杂聚合物。碘的优点之一是它不稳定——随着时间的推移，聚合物会逐渐失去掺杂剂分子并蒸发。
“这对于实验很有用，因为我们可以在24或48小时内持续测量聚合物的电导率。该协议为我们提供了一条电导率曲线，该曲线是材料中剩余掺杂剂数量的函数。”马萨诸塞大学阿默斯特分校化学教授、该研究的合著者DhandapaniVenkataraman说道。“这是一个绝妙的技巧，可以从低浓度、中浓度和高浓度的掺杂剂中获得几乎四个数量级的电导率……一直到基本上回到其原始的原始绝缘状态。”
化学家对同一种聚合物的两种不同版本进行了实验——一种更规则，另一种更无序。然后，他们可以比较两种聚合物在掺杂剂浓度变化时的电导率。
“起初，我们对一些实验结果感到困惑，特别是当我们有大量掺杂剂时。我们预计，在所有掺杂剂浓度下，无序聚合物都比有序聚合物差很多。但事实并非如此，”文卡塔拉曼说。
阿克萨米贾的研究小组专注于材料的相互作用。他们能够将相同聚合物的不同实例与或多或少的无序性进行对比，以辨别筛选发生的位置。这种筛选行为从未被视为有机半导体系统的一部分，因此他们拿出纸和铅笔，利用第一物理原理来了解分子和电荷如何相互作用：控制电荷相互作用的基本方程是什么?阿克萨米贾的实验室从那里开始并进行了重建。然后，他们将公式转化为代码，模拟掺杂剂存在下电子的跳跃，同时包括筛选行为。
“我们终于达到了计算机模拟能够真正捕捉实验的程度，不仅是定性的，而且是定量的。让模拟和实验保持一致的唯一方法是我们加入这种筛选效应，”Akšamija说。
目前，作者正在利用人工智能来帮助发现可以产生最高电导率的聚合物和掺杂剂的新组合。
犹他大学的MuhamedDuhandžić和马萨诸塞大学阿默斯特分校的MichaelLu-Díaz和SubhayanSamanta是这项研究的共同作者，题为“载体筛选控制高掺杂浓度共轭聚合物中的传输”。