Дешёвая пластиковая электроника имеет огромный потенциал, особенно в производстве светодиодов и солнечных батарей, где цена остаётся пока главным препятствием для внедрения устройств в повседневную жизнь.

 Однако у её экспериментальных образцов есть и серьёзный недостаток — накопление заряда внутри самогó материала и его негативное влияние на показатели конечной продукции.

Новая работа группы учёных из Университета Гронингена (Нидерланды) и Технологического института Джорджии (США) впервые затрагивает собственно малоисследованный механизм возникновения таких паразитных зарядов и предлагает решение проблемы.

Электрон в пластиковых полупроводниках попадёт в ловушки заряда, из которых не сможет выбраться самостоятельно. (Здесь и ниже иллюстрации Gert-Jan Wetzelaer / University of Groningen.)

Пластиковые полупроводники делают из ряда полимеров, имеющих настраиваемую ширину запрещённой зоны (ЗЗ). В пластиковых светодиодах поток электронов «впрыскивается» на высокую молекулярную орбиталь, находящуюся как раз выше ЗЗ. После этого электроны двигаются к центру светодиода и теряют энергию, попадая в ЗЗ и продуцируя при этом фотоны.

Однако обычно в пластиковом полупроводнике часть электронов оказывается в ловушках заряда. Потеря электронами энергии и образование фотонов происходит не в центре устройства, а на периферии, что снижает светимость диода.

Прежде считалось, что ловушки заряда образуются из-за петель в полимерных цепях или из-за посторонних включений в полимеры. Однако анализ свойств ловушек заряда в девяти различных пластиках не подтвердил этого: ловушки имели одинаковый энергетический уровень, вне зависимости от своего строения. Совпадение с посторонними включениями для девяти разных материалов также выглядит маловероятным.

Сравнив эмпирические данные по энергетическому уровню ловушек заряда с тем, что показала теоретическая модель, исследователи установили, что такие уровни совпадают со смоделированным влиянием водокислородных комплексов, которые легко могут попасть в полимер при производстве. Хотя полимерные полупроводники делают в азотной атмосфере, учёные считают, что это не может полностью предотвратить проникновение водокислородных комплексов в материал.

Осознание этого позволило выработать подход к борьбе с паразитным явлением. И ключевым здесь стало понятие ЗЗ — области значений энергий, которыми не может обладать электрон в данном материале. В полупроводниках ЗЗ является область энергий, отделяющая заполненную электронами валентную зону от не заполненной ими зоны проводимости.

Этот белый полимерный светодиод — один из примеров потенциально огромного поля применения пластиковых полупроводников. Но пока ловушки заряда не будут побеждены, его КПД останется меньше, чем у традиционных светодиодов.

Чтобы избежать возникновения ловушек заряда, достаточно создать такой полупроводниковый пластик, в котором энергия ловушки будет выше, чем на самой высокой молекулярной орбитали, по которой электроны двигаются через материал. В этом случае электроны не смогут «упасть» в ловушку и она перестанет воздействовать на их поведение.

Результаты исследования могут привести к появлению куда более эффективных по КПД светодиодов и органических полимерных батарей.