東京大學與物質材料研究機構(NIMS)、岡山大學、美國喬治亞理工學院以及科羅拉多大學組成的國際共同研究團隊利用有機半導體開發出一款「整流二極體」,能將920 MHz(UHF頻段)的交流電力以5.2%的高效率轉換為直流電力。此項研究成果可望應用於物聯網(IoT)無線通訊等領域。
有機半導體因能透過印刷製程成膜而被視為製造軟性感測器、電子電路、太陽電池等裝置的理想材料。若要實現能隨處貼附並發揮功能的IoT元件,就必須具備透過無線傳輸資訊與電力的能力。然而,在數公尺的距離進行通訊須使用UHF 頻段。但一般有機半導體元件的動作速度不足,難以支援該頻段的應用。
東京大學研究團隊此次採用了一種將具有還原性的二聚體錯合物作用於電極表面的方法。該錯合物能提供電子,使電極表面注入電子;而帶相反電荷的錯合物陽離子分子會以單分子膜厚度自行組織吸附。在此之後,於下部電極上塗佈有機半導體油墨,再疊加上電極,即可製作出有機整流二極體。
試作的二極體展現出在不同電壓極性下,電流值相差超過1,000倍等整流特性。此外,從下部電極朝向有機半導體注入電子的效率極高,在2V電壓下達到100 A/cm²的電流密度。研究指出,優異的注入特性來自於表面處理,促使電極的功函數大幅改變。實驗證實,金薄膜的功函數由4.8 eV降至3.7 eV,且即使暴露於大氣中仍能維持穩定。在這種結構下,下部電極能有效地將電子注入有機半導體的最低未佔分子軌域(LUMO),而上部電極的電子注入則存在高能障,因此電流傾向於單向流動,實現整流效果。