Nowy model transportu nośników ładunku w polimerowych półprzewodnikach!

Kopolimer statystyczny poli(3-heksylotiofen-co-tiofen) (w skrócie P3HTT) należy do grupy polimerów sprzężonych, tj. takich, w których łańcuchach występują naprzemiennie pojedyncze i podwójne wiązania chemiczne. Taki układ wiązań chemicznych umożliwia przemieszczanie się nośników ładunku (elektronów lub dziur) wzdłuż łańcuchów. P3HTT jest kopolimerem częściowo krystalicznym (część polimeru tworzy kryształy, a część pozostaje nieuporządkowana). Bliskie kontakty (tj. takie, dochodzi do zbliżenia na odległość mniejszą niż 0.4 nanometra) pomiędzy, skrótowo, wiązaniami podwójnymi sąsiadujących łańcuchów P3HTT umożliwiają przemieszczanie się nośników ładunku z łańcucha na łańcuch, a tym samym przepływ prądu skali makroskopowej. Do bliskich kontaktów między łańcuchami dochodzi kryształach polimeru (w fazie krystalicznej) oraz w tzw. agregatach. Badania ultracienkowarstowych tranzystorów polowych na bazie P3HTT o różnych stosunkach heksylotiofenu (HT) do tiofenu (T) umożliwiły określenie korelacji pomiędzy budową kopolimerów, a ich zdolnością do transportu nośników ładunku. Badania ułatwił fakt, że transport nośników ładunku w ultracienkich warstwach (tj. warstwach o grubości poniżej 10 nanometrów) można uznać za w zasadzie dwuwymiarowy. W trakcie badań najpierw określiliśmy w jaki sposób budowa makrocząsteczek P3HTT wpływa na zawartość fazy krystalicznej i całkowity stopień agregacji tego kopolimeru (tj. ilość agregatów przypadających na jednostkę powierzchni warstwy). Następnie, stopnie krystaliczności i agregacji zostały skorelowane z właściwościami elektrycznymi tranzystorów polowych, a ściślej ze zdolnością nośników ładunku do przemieszczania się w takiej warstwie. Tutaj dostrzegliśmy prawidłowości, które skłoniły nas myślenia o transporcie nośników ładunku w sposób analogiczny do transportu hydraulicznego. Potraktowaliśmy składniki P3HTT jak przewody (rury), którymi płyną nośniki ładunku elektrycznego. W skrócie: kryształy i agregegaty to przewody o dużej średnicy, natomiast łańcuchy w obszarach nieuporządkowanych to w zasadzie kapilary. Dokonana przez nas korelacja danych sugeruje, że to nietypowe myślenie nie musi być błędne, ponieważ równanie opisujące zaproponowany przez nas model transportu poprawnie opisuje dane eksperymentalne. Kluczowymi składnikami równania są długość łańcuchów polimerowych, odległości które nośniki ładunku dzielące agregaty w układzie a także zawartość kryształów w P3HTT. Szczegółowe, ścisłe informacje na ten temat w artykule pt. „Contributions of Polymer Chain Length, Aggregation and Crystallinity Degrees in a Model of Charge Carrier Transport in Ultrathin Polymer Films” (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.2c01998) opublikowanego na łamach czasopisma czasopisma Macromolecules. (grafika wykorzystana za zgodą ACS, jej ponowne użycie wymaga zgody American Chemical Society)