(Phys.org) — Een stap zetten in de richting van de felbegeerde flexibele elektronica, een internationaal onderzoeksteam dat uitvond hoe een organisch materiaal als een dunne film kon worden gecoat - zoals boter op toast smeren - wilde nader bekijken waarom hun smeerbare organische halfgeleider zo groeide.

Enter Cornell-wetenschappers en de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), waar een heel klein, extreem heldere röntgenstralen maakten de weg vrij voor snelle films die lieten zien hoe deze organische moleculen kristalroosters vormden op nanoschaal. Het begrijpen en afstemmen van dit proces is essentieel om de technologie van alleen laboratorium naar massaproductie te brengen.

De visualisatie van het kristallisatieproces wordt gedetailleerd beschreven in een document van 16 april Natuurcommunicatie online publicatie en betrekt wetenschappers van Stanford University, Koning Abdullah Universiteit voor Wetenschap en Technologie, en Cornel. Het Cornell-team omvatte CHESS-stafwetenschapper Detlef Smilgies, die de experimenten leidde op de D1 X-ray beamline bij CHESS; en Paulette Clancy, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, die de belangrijkste theoretische ruggengraat leverde om de experimentele bevindingen te ondersteunen.

Stanford-ingenieurs hadden eerder een methode beschreven die solution shearing wordt genoemd en die een dunne laag organisch halfgeleideroplosmiddel op een plat oppervlak aanbrengt. die in milliseconden kristalliseert. Ze vonden een apparaat uit dat lijkt op een botermes dat het materiaal verspreidt.

Om dit proces vast te leggen, Smilgies werkte samen met wetenschappers van Stanford en KAUST om een ​​miniatuur botermes te ontwerpen dat compatibel is met de CHESS röntgeninstrumenten. Ze richtten de synchrotronstraal op een heel klein plekje aan de rand van het botermes, het afvuren met tussenpozen van enkele tientallen milliseconden uit elkaar terwijl het mes de oplossing van de organische halfgeleider langs een siliciumwafel sleepte.

"De complexiteit van het feitelijke kristallisatieproces is verbijsterend, " zei Smilgies. "Er is een hoge afschuifsnelheid, snelle verdamping van het oplosmiddel, en dan een nieuwe kristalstructuur met de hoogste afschuifsnelheden, die de beste transistorprestaties opleverde.

Smilgies crediteerde Stanford-student Gaurav Giri voor het erkennen dat moleculaire opsluiting - het dunner of dikker maken van de vloeistof - het belangrijkste probleem was, en ondersteunde dit idee door oplosmiddelen met verschillende molecuulgroottes te bestuderen.

Kristina Lenn, afgestudeerde studente van Clancy en Cornell, ging in op het probleem waarom bepaalde oplosmiddelen de uitkomst van kristallisatie beïnvloedden. Ze modelleerden veel verschillende oplosmiddelen en toonden aan dat de moleculaire grootte voornamelijk van invloed was op de soorten kristallen die werden gevormd. Met andere woorden, zij leverden de theoretische inzichten die de interpretatie van de experimenten ondersteunden.

"Het was een verrassing om te zien dat slechts kleine veranderingen in de grootte van de oplosmiddelmoleculen voldoende waren om de rangschikking van de nabijgelegen organische halfgeleidermoleculen te verstoren, Clancy zei. "Naarmate de oplosmiddeldeeltjes groter werden, je kon de halfgeleidermoleculen zichtbaar zien buigen en draaien om de spanning te vermijden."

Gedetailleerde kennis van het verspreiden van dergelijke dunne kristallen met een consistent nauwkeurig gedrag, biedt een belangrijke stap in de richting van het maken van deze zogenaamde gespannen organische halfgeleiders tot bruikbare producten zoals flexibele displays, slimme tags en sensoren voor bio-elektronica, aldus de onderzoekers.