Met behulp van een nieuw ontwikkelde beeldvormingsmethode, LMU-onderzoekers tonen aan dat organische dunne-film halfgeleiders gebieden met structurele wanorde bevatten die het transport van lading zouden kunnen remmen en de efficiëntie van organische elektronische apparaten zouden kunnen beperken.

Halfgeleiders op basis van organische polymeren of kleine moleculen hebben verschillende voordelen ten opzichte van hun conventionele, meestal op silicium gebaseerde neven. Ze zijn eenvoudiger en goedkoper te vervaardigen, en kan worden geproduceerd in de vorm van dunne, flexibele lagen, waardoor ze op diverse ondergronden en oppervlakken kunnen worden bevestigd. Deze veelzijdigheid betekent dat organische halfgeleiders van groot belang zijn voor een breed scala aan toepassingen, waaronder opto-elektronische apparaten zoals lichtemitterende diodes en zonnecellen. Hun elektrische geleidbaarheid en energie-efficiëntie zijn een functie van de eigenschappen van de materialen waaruit ze zijn gemaakt. Dit is de reden waarom LMU-onderzoekers onder leiding van Dr. Bert Nickel, die ook lid is van het Nanosystems Initiative München (NIM), een cluster van uitmuntendheid, hebben onderzocht hoe de mate van moleculaire ordening in organische dunne films de mobiliteit en het transport van de ladingsdragers daarin beïnvloedt.

In op halfgeleiders gebaseerde componenten, de mobiliteit van de ladingdragende deeltjes - elektronen en hun positief geladen tegenhangers, bekend als gaten - moet zo hoog mogelijk zijn. "Er zijn tegenstrijdige berichten over het effect van de korreligheid en kristalliniteit van de organische halfgeleidende dunne film op de scheiding en het transport van ladingsdragers binnenin, ", zegt Nickel. Hij en zijn collega's hebben nu de moleculaire structuur van een dunne film van pentaceen onder de loep genomen, een prototype organische halfgeleider.

De structuur in beeld brengen

"Onderzoek op nanoschaal als deze is erg uitdagend", zegt LMU-fysicus Dr. Fritz Keilmann, een pionier op het gebied van near-field microscopie. "We zijn succesvol geweest omdat we een lasergebaseerd, beeldvormingsmethode met hoge resolutie bij Neaspec GmbH, een spin-off van het Center for NanoScience bij LMU. We belichten de extreem fijne punt van een atomaire krachtmicroscoop met een gefocusseerde infrarood laserstraal. De tip werkt als een nano-antenne en zet de invallende straling om in een intense nabije-veldlichtbron met een diameter van ongeveer 20 nanometer. Dit is voldoende om een ​​zeer nauwkeurige analyse van de structuur van de halfgeleidende film te geven - die de ruimtelijke rangschikking van de samenstellende moleculen onthult."

Tot ieders verbazing, de experimenten toonden aan dat, terwijl de platte korrels van pentaceen waaruit de dunne organische film bestaat vaak homogeen lijken over grote gebieden, deze gebieden worden onderbroken door insluitsels waarin de pentaceenmoleculen in een ander patroon of kristallijne fase zijn geordend. "In deze gebieden de pentaceenmoleculen zijn sterker gekanteld dan die in aangrenzende regio's. We vermoeden dat deze insluitsels het transport van ladingsdragers in de organische laag remmen, eerder zoals rotsen in een rivier de waterstroom verstoren, " zegt Christian Westermeier, eerste auteur van het onderzoek.

Verschillen in kristalstructuur op extreem korte schalen zijn niet alleen relevant voor de werking van hooggeleidende elektronische componenten zoals het transistorelement dat in deze nieuwe studie is onderzocht. Ze spelen ook een cruciale rol in organische zonnecellen, die uit meerdere van dergelijke moleculaire lagen bestaan. "Tot nu toe, het was erg moeilijk om experimenteel toegang te krijgen tot deze structuren. Onze methode kan dus een waardevolle bijdrage leveren aan ons begrip van deze gelaagde systemen en aan organische elektronica in het algemeen, ’, besluit Nickel.