Organische halfgeleiders worden gewaardeerd voor lichtemitterende diodes (LED's), veldeffecttransistoren (FET's) en fotovoltaïsche cellen. Omdat ze vanuit de oplossing kunnen worden afgedrukt, ze bieden een zeer schaalbare, kosteneffectief alternatief voor op silicium gebaseerde apparaten. ongelijke prestaties, echter, een hardnekkig probleem zijn geweest. Wetenschappers weten dat de prestatieproblemen hun oorsprong vinden in de domeininterfaces in dunne organische halfgeleiderfilms, maar weet de oorzaak niet. Dit mysterie lijkt nu opgelost.

Naomi Ginsberg, een faculteitschemicus bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of California (UC) Berkeley, leidde een team dat een unieke vorm van microscopie gebruikte om de domeininterfaces te bestuderen binnen een bijzonder goed presterende, in een oplossing verwerkte organische halfgeleider genaamd TIPS-pentaceen. Zij en haar team ontdekten een rommelige wirwar van willekeurig georiënteerde nanokristallieten die tijdens het gieten van de oplossing kinetisch vast komen te zitten in de interfaces. Als puin op een snelweg, deze nanokristallieten belemmeren de stroom van ladingsdragers.

"Als de interfaces netjes en schoon waren, ze zouden niet zo'n grote invloed hebben op de prestaties, maar de aanwezigheid van de nanokristallieten vermindert de mobiliteit van ladingsdragers, " zegt Ginsberg. "Ons nanokristallietmodel voor de interface, wat in overeenstemming is met waarnemingen, biedt kritieke informatie die kan worden gebruikt om oplossingsverwerkingsmethoden te correleren met optimale apparaatprestaties."

Ginsberg, die afspraken heeft met Berkeley Lab's Physical Biosciences Division en de Materials Sciences Division, evenals de afdelingen scheikunde en natuurkunde van UC Berkeley, is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in Natuurcommunicatie . Het artikel is getiteld "Exciton-dynamica onthult aggregaten met intermoleculaire orde op verborgen grensvlakken in in oplossing gegoten organische halfgeleidende films." Co-auteurs zijn Cathy Wong, Benjamin Cotts en Hao Wu.

Organische halfgeleiders zijn gebaseerd op het vermogen van koolstof om grotere moleculen te vormen, zoals benzeen en pentaceen, met elektrische geleidbaarheid die ergens tussen isolatoren en metalen valt. Door oplossingsverwerking, organische materialen kunnen gewoonlijk tot kristallijne films worden gevormd zonder het dure gloeiproces bij hoge temperatuur dat vereist is voor silicium en andere anorganische halfgeleiders. Echter, hoewel het al lang duidelijk is dat de interfaces van het kristallijne domein in organische dunne halfgeleiderfilms van cruciaal belang zijn voor hun prestaties in apparaten, gedetailleerde informatie over de morfologie van deze interfaces ontbrak tot nu toe.

"Interface-domeinen in dunne organische halfgeleiderfilms zijn kleiner dan de diffractielimiet, verborgen voor oppervlaktesondetechnieken zoals atoomkrachtmicroscopie, en hun heterogeniteit op nanoschaal wordt meestal niet opgelost met behulp van röntgenmethoden, " zegt Ginsberg. "Bovendien, het kristallijne TIPS-pentaceen dat we hebben bestudeerd, heeft vrijwel geen emissie, wat betekent dat het niet kan worden bestudeerd met fotoluminescentiemicroscopie."

Ginsberg en haar groep hebben de uitdagingen overwonnen door transiënte absorptie (TA) microscopie te gebruiken, een techniek waarbij femtoseconde laserpulsen tijdelijke energietoestanden opwekken en detectoren de veranderingen in de absorptiespectra meten. De Berkeley-onderzoekers voerden TA-microscopie uit op een zelfgebouwde optische microscoop waarmee ze focale volumes konden genereren die duizend keer kleiner zijn dan typisch is voor conventionele TA-microscopen. Ze gebruikten ook meerdere verschillende lichtpolarisaties waardoor ze interfacesignalen konden isoleren die niet te zien waren in een van de aangrenzende domeinen.

"Instrumentatie, inclusief zeer goede detectoren, het nauwgezet verzamelen van gegevens om te zorgen voor goede signaal-ruisverhoudingen, en de manier waarop we het experiment en de analyse hebben gemaakt, waren allemaal cruciaal voor ons succes, " zegt Ginsberg. "Onze ruimtelijke resolutie en gevoeligheid voor lichtpolarisatie waren ook essentieel om ondubbelzinnig een handtekening van de interface te kunnen zien die niet door de massa werd overspoeld, wat qua volume veel meer bijdraagt ​​aan het ruwe signaal."

De door Ginsberg en haar team ontwikkelde methodologie om structurele motieven op verborgen interfaces in dunne organische halfgeleiderfilms bloot te leggen, zou een voorspellende factor moeten toevoegen aan de schaalbare en betaalbare oplossingsverwerking van deze materialen. Dit voorspellende vermogen zou moeten helpen om discontinuïteiten te minimaliseren en de mobiliteit van ladingdragers te maximaliseren. Momenteel, onderzoekers gebruiken wat in wezen een trial-and-error-benadering is, waarin verschillende gietomstandigheden voor oplossingen worden getest om te zien hoe goed de resulterende apparaten presteren.

"Onze methodologie biedt een belangrijke tussenpersoon in de feedbacklus van apparaatoptimalisatie door de microscopische details van de films die in de apparaten gaan, te karakteriseren, en door af te leiden hoe het gieten van de oplossing de structuren op de interfaces had kunnen creëren, ", zegt Ginsberg. "Als gevolg hiervan, we kunnen voorstellen hoe we de delicate balans van de parameters voor het gieten van oplossingen kunnen veranderen om meer functionele films te maken."