SLAC- en Stanford-onderzoekers hebben een nieuwe, printproces voor organische dunnefilmelektronica dat resulteert in films van opvallend hogere kwaliteit.

Door innovaties naar een drukproces, onderzoekers hebben grote verbeteringen aangebracht in organische elektronica – een technologie waar vraag naar is voor lichtgewicht, goedkope zonnecellen, flexibele elektronische displays en kleine sensoren. De printmethode is snel en werkt met een verscheidenheid aan organische materialen om halfgeleiders te produceren van opvallend hogere kwaliteit dan wat tot nu toe met vergelijkbare methoden is bereikt.

Organische elektronica is veelbelovend voor een verscheidenheid aan toepassingen, maar zelfs de films van de hoogste kwaliteit die tegenwoordig beschikbaar zijn, schieten tekort in hoe goed ze elektrische stroom geleiden. Het team van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Stanford University hebben een printproces ontwikkeld dat ze FLUENCE (fluid-enhanced crystal engineering) noemen en dat voor sommige materialen resulteert in dunne films die in staat zijn om elektriciteit 10 keer efficiënter te geleiden dan die zijn gemaakt met behulp van conventionele methoden.

"Nog beter, de meeste concepten achter FLUENCE kunnen worden opgeschaald om aan de eisen van de industrie te voldoen, " zei Ying Diao, een SLAC/Stanford postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de studie, die vandaag verscheen in Natuurmaterialen .

Stefan Mannsfeld, een SLAC-materiaalfysicus en een van de hoofdonderzoekers van het experiment, zei dat de sleutel was om te focussen op de fysica van het printproces in plaats van de chemische samenstelling van de halfgeleider. Diao ontwikkelde het proces om stroken grote, netjes uitgelijnde kristallen waar elektrische lading gemakkelijk doorheen kan stromen, met behoud van de voordelen van de "strained lattice"-structuur en de "solution shearing"-druktechniek die eerder is ontwikkeld in het laboratorium van de co-hoofdonderzoeker van Mannsfeld, Professor Zhenan Bao van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, een gezamenlijk SLAC-Stanford-instituut.

Om de voorhoede te maken, Diao richtte zich op het regelen van de stroming van de vloeistof waarin het organische materiaal is opgelost. "Het is een essentieel stukje van de puzzel, " zei ze. Als de inktstroom niet gelijkmatig wordt verdeeld, zoals vaak het geval is bij snel printen, de halfgeleidende kristallen zullen bezaaid zijn met defecten. "Maar op dit gebied is er weinig onderzoek gedaan naar het regelen van de vloeistofstroom."

Diao ontwierp een printblad met daarin kleine pilaren die de inkt mengen zodat het een uniforme film vormt. Ze ontwierp ook een manier om een ​​ander probleem te omzeilen:de neiging van kristallen om zich willekeurig over het substraat te vormen. Een reeks slim ontworpen chemische patronen op het substraat onderdrukken de vorming van weerbarstige kristallen die anders uit de lijn zouden groeien met de afdrukrichting. Het resultaat is een film van grote, goed uitgelijnde kristallen.

Röntgenstudies van de organische halfgeleiders van de groep bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) stelden hen in staat hun voortgang te inspecteren en verbeteringen aan te brengen, uiteindelijk met netjes gerangschikte kristallen die minstens 10 keer langer zijn dan kristallen die zijn gemaakt met andere oplossingsgebaseerde technieken, en van veel grotere structurele perfectie.

De groep herhaalde het experiment ook met een tweede organisch halfgeleidermateriaal met een significant andere moleculaire structuur, en opnieuw zagen ze een opmerkelijke verbetering in de kwaliteit van de film. Ze geloven dat dit een teken is dat de technieken voor verschillende materialen zullen werken.

Hoofdonderzoekers Bao en Mannsfeld zeggen dat de volgende stap voor de groep is om de onderliggende relatie tussen het materiaal en het proces vast te stellen dat zo'n geweldig resultaat mogelijk heeft gemaakt. Een dergelijke ontdekking zou een ongekende mate van controle kunnen verschaffen over de elektronische eigenschappen van gedrukte films, optimaliseren voor de apparaten die ze zullen gebruiken.

"Dat zou kunnen leiden tot een revolutionaire vooruitgang in organische elektronica, " zei Bao. "We hebben uitstekende vooruitgang geboekt, maar ik denk dat we nog maar aan de oppervlakte zijn."