Проблема органических проводников решена

Органические полупроводники нужны для светодиодов, транзисторов с полевым эффектом и фотогальванических ячеек.

Поскольку они могут печататься из раствора, то обеспечивают высокомасштабируемую, недорогую альтернативу устройствам на основе кремния. Однако постоянной проблемой оставалась неравная эффективность. Ученым было известно, что проблемы эффективности наблюдаются в доменных интерфейсах в пределах тонкопленочных органических полупроводников, но причина этого им не была известна. И вот теперь тайна, кажется, развеяна.

Химик Наоми Гинзберг из национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США и Калифорнийского университета в Беркли возглавила команду, которая применила уникальную форму микроскопии для исследования доменных интерфейсов в особо высокопроизводительных органических полупроводниках под названием TIPS-пентацен. Ученые обнаружили беспорядочные нагромождения в произвольно ориентированных нанокристаллиты, которые становятся кинетически уловленными в интерфейсах во время отливки из раствора. Подобно мусору на шоссе, эти нанокристаллиты мешают потоку носителей зарядов.

«Если бы интерфейсы были опрятны и чисты, то они не оказали бы столь значительное влияние на эффективность, однако наличие нанокристаллитов снижает мобильность носителей зарядов», сказала Гинзберг. „Наша нанокристаллитная модель интерфейсов, совместимая с наблюдениями, обеспечивает критическую информацию, которая может использоваться для коррелирования методов обработки растворов для оптимальной производительности устройств“.

Результаты исследования опубликованы в издании Nature Communications.

Органические полупроводники основаны на способности углерода формировать большие молекулы, такие как бензол и пентацен, обладающие электрической проводимостью на уровне между изоляторами и металлами. Благодаря растворной обработке органические материалы можно преобразовывать в кристаллические пленки без дорогостоящего процесса высокотемпературного отжига, требуемого в случае с кремнием и другими неорганическими полупроводниками. Однако даже при том, что давно ясно, что кристаллические доменные интерфейсы в полупроводниковых органических тонких пленках важны для их производительности в устройствах, детальная информация относительно морфологии этих интерфейсов до сих пор отсутствовала.

«Доменные интерфейсы в органических тонкопленочных полупроводниках меньше предела дифракции скрыты от поверхностных методов исследования, таких как атомная силовая микроскопия, и их наномасштабная гетерогенность не типично разрешается с помощью рентгена», сказала Гинзберг. „Более того, кристаллический TIPS-пентацен, который мы исследовали, обладает виртуальной нулевой эмиссией, а это значит, что он не может исследоваться с фотолюминесцентной микроскопией“.

Гинзберг с коллегами решили проблемы с использованием микроскопии переходного поглощения — технологии, в которой фемтосекундный лазерный импульс возбуждает переходные состояния энергии, и датчики измеряют изменения спектра поглощения. Исследователи использовали обычный оптический микроскоп, который построили самостоятельно, и который позволил им сгенерировать фокусные объемы в тысячу раз меньше, чем обычно для микроскопии переходного поглощения. Также ученые развернули множество различных поляризаций света, которые позволили им изолировать сигналы интерфейса, не замеченные ранее в любой из смежных областей.

«Аппаратура, включая очень хорошие датчики, кропотливую коллекцию данных для подтверждения хороших соотношений сигнала к шуму, и способ, с использованием которого был проведен эксперимент и анализ, оказались критически важными для нашего успеха», заключила Гинзберг.