Відкриття, яке щойно зробила команда вчених з Принстонського університету, Інституту технологій Джорджії та Університету Гумбольдта, прокладає шлях для масового розповсюдження надсучасних технологій, відомих як органічна електроніка.

Дослідники зосередили свою увагу на природних напівпровідниках. Це такий собі клас матеріалів, який особливо цінується у нових сферах технологій: гнучкій електроніці, перетворенні сонячної енергії та виготовленні дисплеїв з великою кількістю кольорів для смартфонів та телевізорів. Коротко кажучи, відкриття приносить користь всім провідним галузям та допомагає вирішити проблему з органічними світлодіодами. Як відомо, останні потребують великих затрат енергії для випускання синього та зеленого кольорів.

Напівпровідники, що зазвичай виготовляються із кремнію, є основою сучасних електроприладів. Саме завдяки їм інженери можуть контролювати електричний струм у таких пристроях. Серед багатьох інших застосувань напівпровідники використовуються для комп’ютерів, підсилення сигналу та перемикання.

Для цих функцій вирішальним є процес, що називається легуванням. Під час нього хімічний склад напівпровідника змінюється завдяки додаванню невеликої кількості інших хімічних речовин або домішок. Дбайливо обираючи тип легувальної суміші, вчений може змінювати електронну структуру напівпровідника та його електричну поведінку різним чином.

Досягнення американських вчених полягає в тому, що вони знайшли новий спосіб підвищити провідність органічних напівпровідників, що складаються з молекул на основі вуглецю, а не атомів кремнію. Дослідники використали домішку, що містить рутенієву складову та підвищує кількість електронів  під час процесу легування. Додавання електронів відіграє вирішальну роль у підвищенні провідності напівпровідника. Унікальна складова належить до нещодавно відкритого класу домішок – двомірні органічно металічні доповнювачі. На відміну від багатьох інших відновлювачів, ці домішки є стабільними під час взаємодії з повітрям та зберігають властивість збільшувати кількість електронів як в рідкому, так і твердому станах.

Сет Мердер та Стів Барлоу, які керували розробкою цього компонента, назвали його гіпервідновлюваною домішкою. Вони зауважують, що вона незвичайна не тільки поєднанням двох важливих властивостей (стабільності при взаємодії з повітрям та сили давати електрони). Домішка виділяється своєю здатністю працювати з цілим класом органічних напівпровідників, які раніше дуже складно піддавалися змішуванню з іншими елементами. Під час лабораторних тестів у Принстоні вчені виявили, що домішка підвищує провідність майже в мільйон разів.

Рутенієва складова є двомірною, тобто в її складі присутні дві ідентичні молекули, або мономери, що з’єднані хімічним зв’язком. Ці складові є відносно стабільними, як вже зазначалося раніше. Під час додавання до органічних напівпровідників вона не реагує та залишається у своєму стані рівноваги. Це створило нову проблему, адже для того, щоб підвищити показник провідності органічних напівпровідників, двомірний рутеній потребує поділу, щоб випустити ідентичні мономери.

Ксін Лін, студент докторантури та член команди дослідників з Принстонського університету, розповідає, що дослідники випробували різні методи поділу рутенію. Випадково він та його колега вирішили додати енергії, використовуючи ультрафіолетове світло. І воно чудово впоралося зі своїм завданням – спричинило реакцію. Після цього дослідники зробили інше цікаве спостереження: при виключеному світлі зворотна реакція не відбувається. Це суперечить термодинаміці, адже оскільки молекули є двомірними, без подразнюючого чинника їм належить повернутися до початкового стану. На думку вчених, такий парадокс спричиняє той фактор, що мономери дуже розкидані по напівпровіднику. Їм банально складно повернутися до початкових позицій і відновити двомірний рутеній. Отже, мономери не повертаються в стан рівноваги через те, що потрапляють в кінетичну пастку. Лін зазначає:

“Органічні напівпровідники – це ідеальні матеріали для виробництва механічних гнучких приладів, які характеризуються процесами з низькими температурами та незначними затратами енергії. Раніше одним з найвагоміших їхніх недоліків був порівняно низький рівень електропровідності, що робило прилади непродуктивними, з тривалістю роботи меншою, ніж це необхідно для комерційного програмного забезпечення. Ми працюємо над вдосконаленням електричних властивостей органічних напівпровідників, щоб зробити їх доступними для ширшого застосування”.