Investigadores surcoreanos logran invertir la polaridad en semiconductores orgánicos

Un equipo de investigación de Corea del Sur descubrió, por primera vez, el mecanismo a nivel molecular que permite invertir la polaridad de carga en semiconductores orgánicos mediante la adición de pequeñas cantidades de impurezas, conocidas como dopantes. Este avance fue liderado por el profesor Kilwon Cho, junto con los candidatos a doctorado Eunsol Ok y Sein Chung de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), y el profesor Boseok Kang de la Universidad de Sungkyunkwan (SKKU). Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Advanced Materials.

Los semiconductores son materiales fundamentales que regulan el flujo de corriente en dispositivos electrónicos modernos. Aunque los semiconductores basados en silicio ofrecen un rendimiento excelente, su rigidez limita su uso en aplicaciones emergentes como pantallas flexibles, electrónica portátil y piel electrónica. En contraste, los semiconductores orgánicos son ligeros y mecánicamente flexibles, lo que los convierte en candidatos prometedores para la electrónica de próxima generación.

Sin embargo, un desafío importante ha sido la disponibilidad limitada de semiconductores orgánicos n-type estables. La mayoría de los polímeros conjugados exhiben naturalmente un comportamiento p-type, mientras que los n-type existentes a menudo sufren de baja estabilidad ambiental. Para permitir aplicaciones prácticas, se necesita una estrategia que permita funcionalidades tanto p-type como n-type dentro de un mismo sistema de polímero.

El equipo de investigación abordó este problema a través de un fenómeno conocido como cambio de polaridad. Cuando un polímero típicamente p-type se dopa con una concentración suficientemente alta de un dopante p-type como el cloruro de oro (AuCl3), los portadores de carga dominantes cambian de huecos a electrones. Esta inversión de polaridad dependiente de la concentración permite que un solo polímero exhiba tanto características p-type como n-type, eliminando la necesidad de materiales separados o arquitecturas de dispositivos multicapa complejas.

Para descubrir el mecanismo subyacente, el equipo analizó películas de polímero dopadas con AuCl₃. Encontraron que los estados de oxidación del oro y de los iones de cloruro evolucionan durante el dopaje, lo que lleva a una reacción de cloración sustitucional con las cadenas del polímero. Esta reacción química induce un reordenamiento estructural de la cadena del polímero, realineando la estructura molecular y reorganizando las vías de transporte de carga, lo que finalmente impulsa el cambio de polaridad.

Basado en este mecanismo, los investigadores fabricaron un diodo homojunción p-n orgánico utilizando un solo polímero dopado en dos concentraciones diferentes. El dispositivo exhibió una relación de rectificación miles de veces mayor que los diodos orgánicos convencionales de un solo material, destacando su potencial para dispositivos electrónicos flexibles de alto rendimiento con arquitecturas simplificadas.

Los profesores Cho y Kang explicaron: "Nuestro estudio es el primero en identificar el preciso mecanismo químico y estructural detrás del cambio de polaridad en semiconductores de polímeros. Este descubrimiento allana el camino para controlar con precisión las propiedades eléctricas de los semiconductores orgánicos, haciendo que los futuros dispositivos electrónicos sean más simples, estables y eficientes".