Elektron pemintalan baru saja memecahkan misteri semikonduktor yang sudah berusia puluhan tahun

Terobosan besar dalam organik semikonduktor telah dicapai, berpotensi mengubah teknologi tampilan dan bahkan komputasi di masa depan.

Dengan merancang bahan yang memaksa elektron menjadi spiral, para peneliti telah mengembangkan semikonduktor kiral yang secara alami memancarkan cahaya terpolarisasi secara melingkar. Ini dapat membuat layar secara signifikan lebih hemat energi dan menyebabkan kemajuan dalam spintronics dan Komputasi kuantum.

Melanggar penghalang semikonduktor

Para peneliti telah menangani tantangan lama dalam semikonduktor organik, membuka jalan bagi kemajuan baru dalam elektronik.

Sebuah tim dari University of Cambridge dan Eindhoven University of Technology telah mengembangkan semikonduktor organik yang memaksa elektron untuk bergerak dalam pola spiral. Terobosan ini dapat meningkatkan efisiensi layar OLED di TV dan smartphone sementara juga memungkinkan teknologi generasi berikutnya seperti spintonics dan komputasi kuantum.

Peran kiralitas dalam elektronik

Semikonduktor mereka memancarkan cahaya terpolarisasi secara melingkar, yang berarti lampu membawa informasi tentang “tangan” elektron. Sebaliknya, semikonduktor anorganik tradisional seperti silikon memiliki struktur internal simetris, yang memungkinkan elektron bergerak tanpa arah yang disukai.

Namun, di alam, banyak molekul memiliki struktur kiral- baik tangan kiri atau kanan- mirip dengan bagaimana tangan manusia adalah gambar cermin satu sama lain. Chirality sangat penting dalam proses biologis seperti DNA Formasi, tetapi mengendalikannya dalam bahan elektronik tetap menjadi tantangan yang signifikan.

Desain molekuler yang terinspirasi alam

Tetapi dengan menggunakan trik desain molekuler yang terinspirasi oleh alam, para peneliti dapat membuat semikonduktor kiral dengan mendorong tumpukan molekul semikonduktor untuk membentuk kolom spiral yang dipesan dengan tangan kanan atau kidal. Hasil mereka dilaporkan dalam jurnal Sains.

Salah satu aplikasi yang menjanjikan untuk semikonduktor Chiral adalah dalam teknologi tampilan. Tampilan saat ini sering menyia -nyiakan sejumlah besar energi karena cara layar menyaring lampu. Semikonduktor Chiral yang dikembangkan oleh para peneliti secara alami memancarkan cahaya dengan cara yang dapat mengurangi kerugian ini, membuat layar lebih cerah dan lebih hemat energi.

Menata kembali fleksibilitas semikonduktor

“Ketika saya mulai bekerja dengan semikonduktor organik, banyak orang meragukan potensi mereka, tetapi sekarang mereka mendominasi teknologi tampilan,” kata Profesor Sir Richard Friend dari Cavendish Laboratory Cambridge, yang ikut memimpin penelitian. “Tidak seperti semikonduktor anorganik yang kaku, bahan molekuler menawarkan fleksibilitas yang luar biasa – memungkinkan kita untuk merancang struktur yang sama sekali baru, seperti LED kiral. Ini seperti bekerja dengan set Lego dengan segala bentuk yang dapat Anda bayangkan, daripada hanya batu bata persegi panjang.”

Terobosan yang merakit diri dan memancarkan cahaya

Semikonduktor didasarkan pada bahan yang disebut triazatruxene (TAT) yang merakit diri menjadi tumpukan heliks, memungkinkan elektron untuk berputar di sepanjang strukturnya, seperti benang sekrup.

“Ketika bersemangat dengan cahaya biru atau ultraviolet, Tat yang dirakit sendiri memancarkan cahaya hijau terang dengan polarisasi melingkar yang kuat-efek yang sulit dicapai dalam semikonduktor sampai sekarang,” kata penulis pertama Marco Preuss, dari Universitas Teknologi Eindhoven. “Struktur TAT memungkinkan elektron bergerak secara efisien sambil mempengaruhi bagaimana cahaya dipancarkan.”

Masa depan OLEDS melingkar

Dengan memodifikasi teknik fabrikasi OLED, para peneliti berhasil memasukkan TAT ke dalam oled terpolarisasi sirkuler (CP-ELED). Perangkat ini menunjukkan efisiensi pemecahan rekor, kecerahan, dan tingkat polarisasi, menjadikannya yang terbaik dari jenisnya.

“Kami pada dasarnya telah mengerjakan ulang resep standar untuk membuat OLED seperti yang kami miliki di smartphone kami, memungkinkan kami untuk menjebak struktur kiral dalam matriks yang stabil dan tidak kristal,” kata penulis pertama Rituparno Chowdhury, dari Cambridge's Cavendish Laboratory. “Ini memberikan cara praktis untuk membuat LED terpolarisasi sirkuler, sesuatu yang telah lama menghindari lapangan.”

Penelitian puluhan tahun mengarah pada terobosan

Pekerjaan ini merupakan bagian dari kolaborasi selama beberapa dekade antara kelompok penelitian Friend dan kelompok Profesor Bert Meijer dari Universitas Teknologi Eindhoven. “Ini adalah terobosan nyata dalam membuat semikonduktor kiral,” kata Meijer. “Dengan merancang struktur molekul dengan hati -hati, kami telah menggabungkan kiralitas struktur dengan gerakan elektron dan itu belum pernah dilakukan pada tingkat ini sebelumnya.”

Semikonduktor Chiral mewakili langkah maju di dunia semikonduktor organik, yang sekarang mendukung industri senilai lebih dari $ 60 miliar. Di luar tampilan, pengembangan ini juga memiliki implikasi untuk komputasi kuantum dan spintronics – bidang penelitian yang menggunakan putaran, atau momentum sudut yang melekat, elektron untuk menyimpan dan memproses informasi, berpotensi mengarah ke sistem komputasi yang lebih cepat dan lebih aman.

Referensi: “Elektroluminesensi terpolarisasi secara melingkar dari film tipis semikonduktor supramolekul kiral” oleh Rituparno Chowdhury, Marco D. Preuss, Hwan-Hee Cho, Joshua Jp Thompson, Samarpita Sen, Tomi K. Baikie, Pratyush Ghosh, Yoshrick Boejo. Guo, Joost van der Tol, Bart WL van den Bersselaar, Andrea Taddeucci, Nicolas Daub, Daphne M. Dekker, Scott T. Keene, Ghislaine Vantomme, Bruno Ehrler, Stefan CJ Meyw, Akshay Rao, Bartomeu Moner, Eserray, Eserj, Akshay Rao, Bartomeu, Monser, Eartomeu, Monser, Monjay Rao, Bartomeu Monser, Bartomeu, Monsray Rao, Bartomeu, Monser, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomeu, Bartomomu, Sains.
Doi: 10.1126/science.adt3011

Penelitian ini didukung sebagian oleh Jaringan Pelatihan Marie Curie Uni Eropa dan Dewan Penelitian Eropa. Richard Friend adalah Fellow dari St John's College, Cambridge. Rituparno Chowdhury adalah anggota Fitzwilliam College, Cambridge.