Toekomstperspectieven voor superieure nieuwe organische elektronische apparaten zijn nu rooskleuriger dankzij een nieuwe studie door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het DOE. Werken bij de Molecular Foundry van het Lab, een DOE nanowetenschapscentrum, het team heeft de eerste experimentele bepaling geleverd van de paden waarmee elektrische lading van molecuul naar molecuul wordt getransporteerd in een organische dunne film. Hun resultaten laten ook zien hoe dergelijke organische films chemisch kunnen worden gemodificeerd om de geleiding te verbeteren.

"We hebben aangetoond dat wanneer de moleculen in organische dunne films in bepaalde richtingen worden uitgelijnd, er is veel betere geleiding, " zegt Miquel Salmeron, een toonaangevende autoriteit op het gebied van oppervlaktebeeldvorming op nanoschaal die de afdeling Materials Sciences van Berkeley Lab leidt en die deze studie leidde. "Chemici weten al hoe ze organische dunne films moeten maken op een manier die een dergelijke uitlijning kan bereiken, wat betekent dat ze de informatie van onze methodologie moeten kunnen gebruiken om de moleculaire uitlijning en de rol ervan bij ladingstransport over en langs de moleculen te bepalen. Dit zal de prestaties van toekomstige organische elektronische apparaten helpen verbeteren."

Salmeron en Shaul Aloni, ook van de afdeling Materiaalwetenschappen, zijn de corresponderende auteurs van een artikel in het tijdschrift Nano-letters die dit werk beschrijft. Het artikel is getiteld "Electron Microscopy Reveals Structure and Morphology of One Molecule Thin Organic Films." Andere co-auteurs waren Virginia Altoe, Florent Martin en Allard Katan.

organische elektronica, ook bekend als plastic of polymeer elektronica, zijn apparaten die op koolstof gebaseerde moleculen als geleiders gebruiken in plaats van metalen of halfgeleiders. Ze worden gewaardeerd om hun lage kosten, lichtgewicht en rubberachtige flexibiliteit. Organische elektronica zal naar verwachting ook een grote rol spelen in de moleculaire informatica, maar tot op heden is het gebruik ervan belemmerd door een lage elektrische geleidbaarheid in vergelijking met metalen en halfgeleiders.

"Chemici en ingenieurs hebben hun intuïtie en trial-and-error testen gebruikt om vooruitgang te boeken in het veld, maar op een gegeven moment loop je tegen een muur aan tenzij je begrijpt wat er gaande is op moleculair niveau. bijvoorbeeld, hoe elektronen of gaten door of over moleculen stromen, hoe het ladingstransport afhangt van de structuur van de organische lagen en de oriëntatie van de moleculen, en hoe het ladingstransport reageert op mechanische krachten en chemische inputs, " zegt Salmeron. "Met onze experimentele resultaten, we hebben laten zien dat we nu antwoord kunnen geven op deze vragen."

In dit onderzoek, Salmeron en zijn collega's gebruikten elektronendiffractiepatronen om de kristalstructuren van moleculaire films in kaart te brengen die zijn gemaakt van monolagen van korte versies van veelgebruikte polymeren die lange ketens van thiofeen-eenheden bevatten. Ze richtten zich specifiek op pentathiofeenboterzuur (5TBA) en twee van zijn derivaten (D5TBA en DH5TBA) die werden geïnduceerd om zichzelf te assembleren op verschillende elektronentransparante substraten.

Pentathiofenen - moleculen die een ring van vier koolstofatomen en één zwavelatoom bevatten - zijn leden van een goed bestudeerde en veelbelovende familie van organische halfgeleiders.

Het verkrijgen van structurele kristallografische kaarten van monolaagse organische films met behulp van elektronenstralen vormde een grote uitdaging, zoals Aloni uitlegt.

"Deze organische moleculen zijn extreem gevoelig voor elektronen met hoge energie, "zegt hij. "Als je een bundel elektronen met hoge energie door de film schiet, heeft dat onmiddellijk invloed op de moleculen. Binnen enkele seconden zien we niet langer de kenmerkende intermoleculaire uitlijning van het diffractiepatroon. Ondanks dit, indien correct toegepast, elektronenmicroscopie wordt een essentieel hulpmiddel dat unieke informatie over organische monsters kan leveren."

Salmeron, Aloni en hun collega's hebben de uitdaging overwonnen door de combinatie van een unieke strategie die ze hebben ontwikkeld en een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) bij de Molecular Foundry's Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility. Elektronendiffractiepatronen werden verzameld terwijl een parallelle elektronenstraal over de film werd gescand, vervolgens geanalyseerd door de computer om structurele kristallografische kaarten te genereren.

"Deze kaarten bevatten compromisloze informatie over de grootte, symmetrie en oriëntatie van de eenheidscel, de oriëntatie en structuur van de domeinen, de mate van kristalliniteit, en eventuele variaties op de micrometerschaal, ", zegt eerste auteur Altoe. "Dergelijke gegevens zijn cruciaal voor het begrijpen van de structuur en elektrische transporteigenschappen van de organische films, en stellen ons in staat om kleine veranderingen te volgen die worden veroorzaakt door chemische modificaties van de ondersteunende films."

In hun krant de auteurs erkennen dat ze enige resolutie moesten opofferen om structurele informatie te verkrijgen.

"De haalbare resolutie van de structurele kaart is een compromis tussen de stralingshardheid van het monster, detectorgevoeligheid en ruis, en data-acquisitiesnelheid, " zegt Salmeron. "Om de dosis hoogenergetische elektronen op een niveau te houden, zou de monolaagfilm waardevolle informatie over zijn structuur kunnen ondersteunen en toch kunnen verzamelen, we had to spread the beam to a 90 nanometer diameter. However a fast and direct control of the beam position combined with the use of fast and ultrasensitive detectors should allow for the use of smaller beams with a higher electron flux, resulting in a better than 10 nanometer resolution."

While the combination of organic molecular films and substrates in this study conduct electrical current via electron holes (positively-charged energy spaces), Salmeron and his colleagues say their structural mapping can also be applied to materials whose conductance is electron-based.

"We expect our methodology to have widespread applications in materials research, " Salmeron says.