Nuove possibilità per il futuro dell'elettronica grazie alla creazione di un semiconduttore organico che costringe gli elettroni a muoversi seguendo uno schema a spirale
Creato un semiconduttore organico che costringe gli elettroni a muoversi seguendo uno schema a spirale. Il che potrebbe migliorare l'efficienza dei display OLED negli schermi di televisori e smartphone o alimentare tecnologie informatiche di prossima generazione come la spintronica e l'informatica quantistica. Il progetto è stato curato dai ricercatori, guidati dall'University of Cambridge e dalla Eindhoven University of Technology.
Il semiconduttore da loro sviluppato emette luce polarizzata circolarmente, ovvero la luce trasporta informazioni sulla “manualità” degli elettroni. La struttura interna della maggior parte dei semiconduttori inorganici, come il silicio, è simmetrica, ovvero gli elettroni si muovono al loro interno senza alcuna direzione preferita.
Tuttavia, in natura, le molecole hanno spesso una struttura chirale (sinistra o destra): come le mani umane, le molecole chirali sono immagini speculari l'una dell'altra. La chiralità svolge un ruolo importante nei processi biologici come la formazione del DNA, ma è un fenomeno difficile da sfruttare e controllare nell'elettronica.
Ma usando trucchi di progettazione molecolare ispirati alla natura, i ricercatori hanno creato un semiconduttore chirale spingendo pile di molecole semi conduttrici per formare colonne a spirale ordinate destrorse o sinistrorse. I loro risultati sono riportati sulla rivista Science (1).
Un'applicazione promettente per i semiconduttori chirali è nella tecnologia dei display. Gli attuali display spesso sprecano una notevole quantità di energia a causa del modo in cui gli schermi filtrano la luce. Il semiconduttore chirale sviluppato dai ricercatori emette naturalmente luce in un modo che potrebbe ridurre queste perdite, rendendo gli schermi più luminosi e più efficienti dal punto di vista energetico.
«Quando ho iniziato a lavorare con i semiconduttori organici, molte persone dubitavano del loro potenziale, ma ora dominano la tecnologia dei display», ha affermato il professor Sir Richard Friend (2) del Cavendish Laboratory di Cambridge, che ha anche diretto la ricerca. «A differenza dei semiconduttori inorganici rigidi, i materiali molecolari offrono un'incredibile flessibilità, consentendoci di progettare strutture completamente nuove, come i LED chirali. È come lavorare con un set Lego con ogni tipo di forma che puoi immaginare, anziché solo con mattoncini rettangolari».
Il semiconduttore si basa su un materiale chiamato triazatruxene (TAT), che si auto assembla in una pila elicoidale, consentendo agli elettroni di muoversi a spirale lungo la sua struttura, come la filettatura di una vite.
«Quando eccitato dalla luce blu o ultravioletta, il TAT auto assemblato emette una luce verde brillante con una forte polarizzazione circolare, un effetto che è stato difficile da ottenere nei semiconduttori fino ad ora», ha affermato uno dei primi autori, il dottor Marco D. Preuss (3), dell'Eindhoven University of Technology. «La struttura del TAT consente agli elettroni di muoversi in modo efficiente, influenzando al contempo il modo in cui la luce viene emessa».
Modificando le tecniche di fabbricazione degli OLED, i ricercatori hanno incorporato con successo il TAT in OLED circolarmente polarizzati (CP-OLED). Questi dispositivi hanno mostrato livelli di efficienza, luminosità e polarizzazione da record, rendendoli i migliori nel loro genere.
«Abbiamo sostanzialmente rielaborato la ricetta standard per realizzare OLED come quelli che abbiamo nei nostri smartphone, consentendoci di intrappolare una struttura chirale all'interno di una matrice stabile e non cristallizzante», ha affermato uno dei primi autori, il dottor Rituparno Chowdhury, del Cavendish Laboratory di Cambridge. «Questo fornisce un modo pratico per creare LED polarizzati circolarmente, qualcosa che è sfuggito a lungo al settore».
Il lavoro fa parte di una collaborazione decennale tra il gruppo di ricerca del dottor Richard Friend e il gruppo del professor Bert Meijer (4) della Eindhoven University of Technology. «Si tratta di una vera svolta nella realizzazione di un semiconduttore chirale. Progettando attentamente la struttura molecolare, abbiamo accoppiato la chiralità della struttura al movimento degli elettroni e questo non era mai stato fatto a questo livello prima».
I semiconduttori chirali rappresentano un passo avanti nel mondo dei semiconduttori organici, che ora supportano un settore che vale oltre 60 miliardi di dollari. Oltre ai display, questo sviluppo ha implicazioni anche per il calcolo quantistico e la spintronica, un campo di ricerca che utilizza lo spin, o momento angolare intrinseco, degli elettroni per archiviare ed elaborare informazioni, portando potenzialmente a sistemi di calcolo più rapidi e sicuri.
La ricerca è stata in parte supportata dalla Marie Curie Training Network dell'Unione Europea e dall'European Research Council. Richard Friend è un Fellow dello St John's College di Cambridge. Rituparno Chowdhury è un membro del Fitzwilliam College di Cambridge.
Riferimenti:
(1) Circularly polarized electroluminescence from chiral supramolecular semiconductor thin films
(2) Richard Friend
(3) Marco D. Preuss
Descrizione foto: Immagini di microscopia confocale. - Credit: Preso da Samarpita Sen, Gurredon Institute, Università di Cambridge. Reso in questa forma da Rituruno Chowdhuyy.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: https://www.cam.ac.uk/research/news/spinning-twisted-light-could-power-next-generation-electronics