طراحی مواد کارآمد برای نمایشگرهای OLED در آینده
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ ایران پلیمر مواد طبیعی امروزه در کاربردهایی همچون دیودهای ساطع‌کننده نور یا سلول‌های خورشیدی به عنوان حوزه‌های پژوهشی در نظر گرفته می‌شوند. این مولکول‌های طبیعی می‌توانند جایگزین مناسبی برای نیمه‌هادی‌هایی همچون سیلیکون یا ژرمانیوم باشند که در حال حاضر در نمایشگرهای OLED مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک مسئله بزرگ این است که در بسیاری از نیمه‌هادی‌های طبیعی، نواقص سطح در مقیاس میکروسکوپی مانع از عبور جریان الکتریسیته می‌شوند. دانشمندان در مرکز پژوهش بسپارها در حال بررسی این مسئله هستند که چگونه نیمه‌هادی‌هایی بر پایه مواد طبیعی طراحی کنند که تحت تاثیر این نواقص قرار نگیرند.
اصل پایه‌ای که در اختراع اولین لامپ توسط توماس ادیسون در قرن 19 مورد استفاده قرار گرفت، بسیار ساده بود: الکترون‌ها – ذراتی با بار منفی- از یک ریسه کربنی عبور کرده و انرژی‌شان به نور و گرما تبدیل می‌شود. امروز اما فیزیکِ نسل نیمه‌هادی‌های به‌کارگرفته شده در وسایل الکتریکی، پیچیده‌تر است: جریان الکترون از یک وسیله برقی می‌گذرد و انرژی خود را در نقطه خاصی رها می‌کند. به این منظور باید یک فضای آزاد پیدا کند؛ مثلا جایی که توسط الکترون اشغال نشده است. این فضای آزاد را می‌توان به عنوان نوعی از یک بار مثبت – یک حفره- در نظر گرفت. اگر این الکترون داخل حفره بپرد، انرژی آن به صورت نور رها می‌شود. بر اساس این اصل، یک دیود ساطع‌کننده نور مبتنی بر مواد طبیعی (OLED) جریان الکتریکی را به نور تبدیل می‌کند.
کارآمدی چنین وسیله‌ای به شدت به این مسئله وابسته است که این حفرهها و الکترون‌ها چگونه جریان را عبور دهند. اگر هر یک از این‌ها در نواقص ساختاری به دام بیفتند، به این معناست که نمی‌توانند نقشی در انتقال جریان داشته باشند. برای نمونه در موردی که یک حفره در این نواقص به دام افتد، نسبت الکترون به حفره بیشتر خواهد بود و به این ترتیب تنها بخشی از الکترون‌ها می‌توانند نور ایجاد کنند و سطح کارآمدی OLED کاهش می‌یابد.
آقای Gert-Jan Wetzelaer می‌گوید: «در آخرین آزمایش‌هایی که ما انجام دادیم، گستره‌ای وسیع از نیمه‌هادی‌های طبیعی را بررسی کردیم و پارامترهای اصلی و ضروری را برای رسانایی برابر و بدون نقص حفرهها و الکترون‌ها یافتیم.»
در یک نیمه‌هادی، الکترون‌ها با سطح انرژی بالاتری حرکت می‌کنند، در حالی که حفرهها با سطح انرژی پایین‌تری حرکت می‌کنند. دانشمندان به این نتیجه رسیده‌اند که رسانش هر دو بار مثبت و منفی به شدت به این سطوح انرژی وابسته است. آقای Wetzelaer افزود: «بسته به این سطوح انرژی، انتقال بارها ممکن است به سمت بارهای مثبت یا منفی متمایل باشد. در صورت انتخاب سطح درستی از انرژی، این دو بار به صورت برابر در انتقال بار شرکت می‌کنند.»
در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، دانشمندان نگاهی عمیق‌تر به ریشه این بارها داشتند. آقای Andrienko توضیح می‌دهد: «در شبیه‌سازی که ما انجام دادیم، بخش‌هایی از مولکول‌های آب در نیمه‌هادی‌ها معرفی شده‌اند که ممکن است به صورت بسته‌هایی در نیمه‌هادی‌ها تجمع کنند. ما دریافته‌ایم که بخش‌های مولکول‌های آبی می‌توانند به عنوان حفره‌ای عمل کنند که آب را به دام بیندازد. در مقابل در نیمه‌هادی‌هایی که بار مثبت غالب است، نواقص ناشی از اکسیژن الکترون‌ها را به دام می‌اندازند. در نتیجه می‌توان نشان دادن که انتقال بالای بار به صورت تک‌قطبی، برای بار مثبت یا منفی، توسط مقدار اندکی از نواقص مانند آب یا اکسیژن هدایت می‌شود. متاسفانه اثبات شده است که از بین بردن چنین نواقصی به طور کامل پرچالش خواهد بود.»
بنابراین، پژوهشگران ماینز توانستند روشی برای طراحی نیمه‌هادی‌های طبیعی و کارآمد در آینده طراحی تعریف کنند: تفاوت سطح انرژی مواد باید در گستره مشخصی باشد که به شدت تاثیر مولکول‌های آب و اکسیژن را که دلیل اصلی به دام افتادن بارها هستند، از میان ببرد. بر اساس این ایده، دستیابی به نخستین OLED های بسیار کارآمد با قابلیت رسانایی الکتریکی بدون نقص اخیرا محقق شده است.
