O novo método envolve mergulhar o plástico condutor numa solução salina especial – um fotocatalisador – e depois iluminá-lo com luz durante um curto período de tempo, resultando num plástico condutor dopado com P, no qual a única substância consumida é o oxigénio do ar. Crédito: Thor Balkhed
Um novo método de dopagem utiliza ar e luz para melhorar a condutividade de semicondutores orgânicos, prometendo maior escalabilidade e sustentabilidade ambiental na produção de dispositivos eletrônicos.
Os semicondutores são a base de toda a eletrônica moderna. Agora, investigadores da Universidade de Linköping, na Suécia, desenvolveram um novo método onde produtos orgânicos semicondutores pode se tornar mais condutivo com a ajuda do ar como dopante. O estudo, publicado na revista Naturezaé um passo significativo em direção a futuros semicondutores orgânicos baratos e sustentáveis.
“Acreditamos que este método pode influenciar significativamente a forma como dopamos semicondutores orgânicos. Todos os componentes são acessíveis, facilmente acessíveis e potencialmente ecológicos, o que é um pré-requisito para a futura eletrónica sustentável”, afirma Simone Fabiano, professora associada da Universidade de Linköping.
Semicondutores baseados em plásticos condutores em vez de silício têm muitas aplicações potenciais. Entre outras coisas, os semicondutores orgânicos podem ser usados em displays digitais, células solares, LEDs, sensores, implantes e para armazenamento de energia.
Pesquisadores Chi-Yuan Yang, Simone Fabiano e Qingqing Wang do Laboratório de Eletrônica Orgânica da Universidade de Linköping. Crédito: Thor Balkhed
Para aumentar a condutividade e modificar as propriedades dos semicondutores, os chamados dopantes são normalmente introduzidos. Esses aditivos facilitam o movimento de cargas elétricas dentro do material semicondutor e podem ser adaptados para induzir cargas positivas (dopagem p) ou negativas (dopagem n). Os dopantes mais comuns usados hoje em dia são frequentemente muito reativos (instáveis), caros, difíceis de fabricar ou todos os três.
Agora, pesquisadores da Universidade de Linköping desenvolveram um método de dopagem que pode ser realizado à temperatura ambiente, onde dopantes ineficientes, como o oxigênio, são o dopante primário e a luz ativa o processo de dopagem.
Inovações em métodos de dopagem
“Nossa abordagem foi inspirada na natureza, pois compartilha muitas analogias com fotossíntese, por exemplo. No nosso método, a luz ativa um fotocatalisador, que facilita a transferência de elétrons de um dopante normalmente ineficiente para o material semicondutor orgânico”, diz Simone Fabiano.
O novo método envolve mergulhar o plástico condutor em uma solução salina especial – um fotocatalisador – e depois iluminá-lo com luz por um curto período de tempo. A duração da iluminação determina o grau em que o material é dopado. Posteriormente, a solução é recuperada para uso futuro, deixando para trás um plástico condutor dopado com P, no qual a única substância consumida é o oxigênio do ar.
Simone Fabiano, professora associada sênior da Universidade de Linköping. Crédito: Thor Balkhed
Isto é possível porque o fotocatalisador atua como um “lançador de elétrons”, pegando elétrons ou doando-os ao material na presença de oxidantes ou redutores fracos sacrificiais. Isso é comum em química, mas nunca foi usado em eletrônica orgânica antes.
“Também é possível combinar p-doping e n-doping na mesma reação, o que é bastante singular. Isto simplifica a produção de dispositivos eletrônicos, particularmente aqueles onde são necessários semicondutores dopados com p e dopados com n, como geradores termoelétricos. Todas as peças podem ser fabricadas de uma só vez e dopadas simultaneamente, em vez de uma a uma, tornando o processo mais escalável”, afirma Simone Fabiano.
O semicondutor orgânico dopado tem melhor condutividade do que os semicondutores tradicionais e o processo pode ser ampliado. Simone Fabiano e seu grupo de pesquisa do Laboratório de Eletrônica Orgânica mostraram no início de 2024 como plásticos condutores poderiam ser processados a partir de solventes ecologicamente corretos como a água; este é o próximo passo.
“Estamos no início da tentativa de compreender completamente o mecanismo por trás disso e quais outras áreas de aplicação potenciais existem. Mas é uma abordagem muito promissora que mostra que a dopagem fotocatalítica é uma nova pedra angular na eletrônica orgânica”, diz Simone Fabiano, bolsista da Wallenberg Academy.
Referência: “Dopagem fotocatalítica de semicondutores orgânicos” por Wenlong Jin, Chi-Yuan Yang, Riccardo Pau, Qingqing Wang, Eelco K. Tekelenburg, Han-Yan Wu, Ziang Wu, Sang Young Jeong, Federico Pitzalis, Tiefeng Liu, Qiao He, Qifan Li, Jun-Da Huang, Renee Kroon, Martin Heeney, Han Young Woo, Andrea Mura, Alessandro Motta, Antonio Facchetti, Mats Fahlman, Maria Antonietta Loi e Simone Fabiano, 15 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07400-5
Financiamento: Fundação Knut e Alice Wallenberg, Wallenberg Wood Science Center, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability, Conselho Sueco de Pesquisa, Stiftelsen Olle Engkvist Byggmästare, Comissão Europeia, área de pesquisa estratégica do governo sueco em materiais funcionais avançados (AFM) na Universidade de Linköping
