Вчені розкривають секрети «м’яких» напівпровідників нового покоління

Органічні змішані іонно-електронні провідники (ОЗІЕП) є одними з найперспективніших матеріалів для акумуляторів та електронних пристроїв наступного покоління. Ці гнучкі, м’які полімерні напівпровідники демонструють чудові електрохімічні властивості. Однак їхня молекулярна мікроструктура та механізми, за допомогою яких електрони рухаються крізь них, залишаються недостатньо вивченими — це важлива прогалина в знаннях, яку необхідно заповнити, перш ніж OMIECs можна буде комерціалізувати.

Щоб заповнити цю прогалину, матеріалознавці зі Стенфорда нещодавно застосували спеціальну електронно-мікроскопічну техніку, яка працює з м’якими, так званими «чутливими до променів» матеріалами, такими як біомолекули, щоб отримати чіткіше уявлення про структурну внутрішню будову OMIECs і про те, чому вони мають такі сприятливі електрохімічні властивості.

Подібно до води в автомобільному акумуляторі, між шарами полімеру OMIEC просочується рідкий електроліт. Електроліт є середовищем, через яке іони рухаються між позитивними і негативними полюсами, створюючи електричний струм.

«Коли полімери OMIEC занурюють у рідкий електроліт, вони розбухають, як гармошка, але зберігають електронну функціональність. Ми дізналися, що довгі молекулярні ланцюги полімерного матеріалу здатні розтягуватися і м’яко вигинатися, створюючи безперервний шлях, навіть коли матеріал набухає на 300% в електроліті», — сказав Альберто Саллео, професор Інженерної школи Хонг Сех і Вівіан В. М. Лім і старший автор статті, опублікованої в журналі Nature Materials.

«Дослідження являє собою концептуальний прорив у візуалізації мікроструктури цих матеріалів. Якщо раніше ми могли лише теоретизувати, то тепер ми можемо побачити, що відбувається, завдяки чому OMIECs працюють так добре», — сказала Яель Царфаті (Yael Tsarfati), аспірантка в лабораторії Саллео і перший автор статті, яка провела більшість електронно-мікроскопічних спостережень. «Вивчення того, як матеріал працює на структурному рівні, є ключем до створення все більш досконалих матеріалів».

Невловимий процес

Саллео та Царфаті працювали над цим дослідженням протягом трьох років. Вони першими використали кріоелектронну мікроскопію (Cryo 4D-STEM) для отримання зображення полімеру OMIEC, просоченого водним електролітом, в той час, як він містить електричні заряди. Цей тип мікроскопа використовує для зображення потужні пучки електронів, а не світло, і вимагає, щоб зразок був дуже холодним, щоб запобігти пошкодженню матеріалу електронами.

Подвійний стрес, пов’язаний із замочуванням та електричним зарядом, призводить до складних, але важливих змін у структурі полімеру, каже Саллео. Візуалізація того, як продуктивність полімеру зберігається, незважаючи на ці стреси, є загадкою, яка інтригує спільноту. Але отримати зображення цих полімерів за допомогою традиційних електронних мікроскопів було складним завданням.

Якби OMIEC були твердими напівпровідниками, дослідники швидко звернулися б до електронної мікроскопії для вивчення їхньої кристалічної структури. Але OMIEC настільки м’які, що потужні електронні пучки, які використовуються для освітлення їхньої внутрішньої структури, пошкоджують її під час спостереження.

Використовуючи цей новий метод мікроскопії, Саллео і Царфаті тепер можуть бачити, як м’який, пластичний полімер зберігає свою структурну цілісність при розширенні. Команда тепер вважає, що м’яка рідкокристалічна полімерна структура OMIECs розтягується і згинається, утворюючи безперервний електронний шлях навколо бульбашок електроліту, які утворюються між складеними стрічками полімеру.

М’який дотик

Cryo 4D-STEM, по суті, заморожує матеріал під час дослідження. Електроліт не стає твердим, як вода перетворюється на лід. Натомість він переходить в інший, склоподібний стан, що дозволяє Саллео та його команді зазирнути в мікроструктуру в процесі роботи.

«Полімер утворює своєрідний гель, який може згинатися і розтягуватися, — пояснює Саллео. «Він може сильно розбухати, іноді на 300 відсотків, що повністю знищило б електронні властивості більшості матеріалів. Але в OMIECs електронні властивості все ще зберігаються».

Царфаті зазначає, що після набрякання полімерні ланцюги зазнають мінімальних структурних змін, навіть під час заряджання та розряджання. Це призводить до більш ефективного іонного обміну з мінімальним навантаженням на сам матеріал, що робить OMIECs привабливими з електронного погляду.

«Полімери демонструють вражаючу стійкість до фізичних змін та введення іонів порівняно з іншими матеріалами, які ми вивчали, і це бажана риса для майбутньої електроніки», — додав Царфаті, вказуючи на нові напрямки досліджень команди.