Een team van onderzoekers uit Rusland, Duitsland, en Frankrijk, met materiaalwetenschappers van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie, heeft onderzocht hoe de elektrische eigenschappen van dihexyl-quarterthiofeen dunne films afhangen van hun structuur. Dit materiaal is een organische halfgeleider met vooruitzichten voor flexibele elektronica.

Zodra de dunne films een overgang ondergaan van de kristal- naar de vloeibaar-kristaltoestand, ze verliezen een deel van hun elektrische geleidbaarheid. Het team ontdekte ook een "derde fase" die niet voorkomt in bulkmateriaal en overeenkomt met een monomoleculaire laag van de halfgeleider. Deze structuur zou gunstig kunnen zijn voor ladingstransport over de films, met mogelijke implicaties voor het ontwerp van micro-elektronica. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Onderzoeksbrieven op nanoschaal .

Oligothiofenen zijn veelbelovende organische halfgeleiders. Hun staafvormige moleculen kunnen zich oriënteren op het oppervlak waarop ze zijn afgezet, het opstapelen van cycli van koolwaterstoffen die een zwavelatoom bevatten dat bekend staat als thiofenen, als stapels munten. De "muntranden" in de aangrenzende stapels vormen een visgraatpatroon. Deze moleculaire rangschikking maakt de overdracht van lading van het ene molecuul naar het andere mogelijk.

Naarmate het aantal thiofenen in het molecuul toeneemt, dat geldt ook voor de elektrische geleidbaarheid, ten koste van de oplosbaarheid van de verbinding. Het optimale aantal van deze zogenaamde thiofeendelen is vier. Om de oplosbaarheid te vergroten, hexylfragmenten worden geënt op de uiteinden van het geconjugeerde moleculaire fragment (fig. 1).

De onderzoekers losten en verdampten dihexyl-quarterthiofeen (DH4T) in een vacuümreactor en legden het materiaal als dunne films op een siliciumsubstraat. Ze gingen verder met het bestuderen van de kristalstructuur van de monsters met behulp van grazing-incidence röntgendiffractie. Deze techniek omvat het blootstellen van een film aan röntgenstralen onder een zeer kleine kijkhoek om de afstand die de röntgenstraal in de film aflegt te maximaliseren, talrijke reflecties ondergaan. Anders, het signaal van de dunne film zou te zwak zijn om te onderscheiden van het substraatsignaal. Dankzij de diffractiemetingen kon het team de moleculaire rangschikking identificeren in het materiaal dat op het substraat was afgezet.

aanvankelijk, DH4T was zeer kristallijn. De moleculen vormden een visgraatpatroon en stonden bijna loodrecht op het substraat. Echter, eenmaal verwarmd tot 85 graden Celsius, het materiaal onderging een faseovergang:de moleculaire rangschikking veranderde, het vormen van een vloeibare kristalfase, en de elektrische geleidbaarheid van de films daalde.

Het monster werd verder verwarmd tot 130°C en vervolgens afgekoeld tot kamertemperatuur. Dit herstelde gedeeltelijk de kristalliniteit van het materiaal, en dus geleidbaarheid.

Tijdens het opwarmen, een derde structuur ontstond in het röntgendiffractieprofiel, aangegeven door zwakke diffractiemaxima die niet overeenkomen met de vloeibare kristalfase. Voorafgaand onderzoek heeft dergelijke maxima gecorreleerd met monolagen van verbindingen zoals DH4T. interessant, deze "derde fase" werd ook waargenomen bij 70 C.

De structuur van de door het team ontdekte monolaag is gunstig voor ladingstransport langs het vlak van de film, waardoor het belangrijk is voor flexibele elektronische toepassingen. Daarnaast, de nieuw waargenomen fase zou ook kunnen voorkomen in de dunne films van andere verbindingen waarvan de structuur vergelijkbaar is met die van DH4T. Dergelijke materialen worden gebruikt in de micro-elektronica. Omdat lading voornamelijk wordt overgedragen in een zeer dunne laag nabij het substraat, de bevindingen van de onderzoekers wijzen op de noodzaak om te overwegen hoe de nanostructuur van het materiaal de geleidbaarheid beïnvloedt.

Professor Dimitri Ivanov leidt het Laboratorium voor Functionele Organische en Hybride Materialen aan het MIPT en is tevens onderzoeksdirecteur van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS). Hij was co-auteur van de studie die in dit verhaal wordt beschreven en gaf commentaar op de bevindingen:"Met behulp van in situ-methoden, zoals structuuranalyse, en tegelijkertijd stelt het meten van de elektrische eigenschappen van monsters ons in staat inzicht te krijgen in de aard van complexe faseovergangen in het materiaal en het potentieel ervan voor praktische toepassingen in organische elektronica te beoordelen."