Ontdekking van een onverwachte ontwikkeling in op polymeer gebaseerde halfgeleiders: het ‘Goudlokje-effect’

Een nieuwe studie door scheikundigen van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois biedt een nieuwe visie op de ontwikkeling van halfgeleidermaterialen die dingen kunnen doen die hun traditionele silicium-tegenhangers niet kunnen: de kracht van decentralisatie benutten, een niet-superponeerbaar spiegelbeeld.

Chiraliteit in de natuur

Decentralisatie is een van de strategieën van de natuur die wordt gebruikt om complexiteit in structuren in te bouwen, met behulp van… DNA De dubbele helix is ​​misschien wel het bekendste voorbeeld: twee moleculaire ketens verbonden door een moleculaire “ruggengraat” en naar rechts gedraaid.

In de natuur geleiden gedecentraliseerde moleculen, zoals eiwitten, elektriciteit zeer efficiënt door selectief elektronen uit dezelfde spinrichting over te dragen.

Onderzoek naar het imiteren van de aard van de natuur

Onderzoekers werken al tientallen jaren aan het nabootsen van de chiraliteit van de natuur in synthetische moleculen. Een nieuwe studie, geleid door hoogleraar chemische en biomoleculaire chemie Ying Diao, onderzoekt of verschillende modificaties aan een chiraal polymeer genaamd DPP-T4 kunnen worden gebruikt om chirale spiraalvormige structuren te vormen in op polymeer gebaseerde halfgeleidermaterialen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer zonnecellen die zich gedragen als bladeren, computers die kwantumtoestanden van elektronen gebruiken om efficiëntere berekeningen uit te voeren, en nieuwe beeldtechnologieën die 3D-informatie vastleggen in plaats van 2D-informatie, om er maar een paar te noemen.

Een optische microfoto die de chirale vloeibaar-kristallijne fase toont van een polymeer dat onderzoekers onderzoeken om zeer efficiënte halfgeleidende materialen te produceren.
Krediet: afbeelding met dank aan Ying Diao Laboratory

De resultaten van het onderzoek worden gepubliceerd in het tijdschrift ACS Wetenschap Centraal.

Resultaten van de studie en experimenten

“We begonnen met te denken dat het aanbrengen van kleine wijzigingen in de structuur van het DPP-T4-molecuul – bereikt door het toevoegen of veranderen van atomen die aan de ruggengraat zijn bevestigd – de draaiing van de structuur zou veranderen en asymmetrie zou veroorzaken,” zei Diao. “Maar we kwamen er al snel achter dat het allemaal niet zo eenvoudig lag.”

Met behulp van röntgenverstrooiing en beeldvorming ontdekte het team dat “kleine aanpassingen” grote veranderingen in de fasen van het materiaal veroorzaakten.

“Wat ons opviel is een soort moderatoreffect,” zei Diaw. “Normaal gesproken assembleren moleculen zich als een gedraaide draad, maar plotseling, wanneer we het molecuul tot een kritische draai draaien, beginnen ze zich te assembleren tot nieuwe mesofasen in de vorm van vlakke platen of vellen. Door te testen hoe goed deze structuren gepolariseerd kunnen buigen licht – een test voor excentriciteit – We waren verrast toen we ontdekten dat platen ook kunnen verdraaien tot samenhangende, ongrijpbare structuren.

Inzicht in het gedrag van polymeren en de toekomstige implicaties ervan

De bevindingen van het team benadrukken het feit dat polymeren zich niet op dezelfde manier zullen gedragen wanneer ze worden gemodificeerd in een poging om efficiënte elektronenoverdracht in chirale structuren na te bootsen. De studie geeft aan dat het van cruciaal belang is om de complexe mesofasestructuren die zijn gevormd om onbekende fasen te ontdekken die kunnen leiden tot voorheen onvoorstelbare optische, elektronische en mechanische eigenschappen, niet over het hoofd te zien.

Referentie: “Micromoleculaire veranderingen wijzigen de chirale assemblages van geconjugeerde polymeren aanzienlijk door de aggregatie van oplossingstoestanden af ​​te stemmen” door Kyung Sun Park, Zoe Luo, Justin J. Kwok, Azaya Khasbaatar, Jianguo Mei en Ying Diao, 13 november 2023, ACS Wetenschap Centraal.
doi: 10.1021/acscentsci.3c00775

Professor Jianguo Mei van de Purdue Universiteit en afgestudeerde student Xuyi Luo synthetiseerden de polymeren die in dit onderzoek werden gebruikt. Diao is ook verbonden aan het Materials Science and Engineering and Chemistry Materials Research Laboratory en het Beckman Institute for Advanced Science and Technology in Illinois.

Dit onderzoek werd ondersteund door het Office of Naval Research, het Air Force Office of Scientific Research, de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie.