Forskning hjælper med at overvinde barrieren for organisk elektronik

(PhysOrg.com) -- Elektroniske enheder kan ikke fungere godt, medmindre alle transistorerne, eller kontakter, inden i dem tillader elektrisk strøm at flyde let, når de er tændt. Et team af ingeniører har fastslået, hvorfor nogle transistorer lavet af organiske krystaller ikke fungerer godt, giver ideer til, hvordan man kan få dem til at fungere bedre.

At give indsigt i en frustrerende inkonsekvens i ydeevnen af ​​elektronik fremstillet af organiske materialer, Stanford-forskere har vist, at den måde, grænserne mellem individuelle krystaller i en film er justeret på, kan gøre en 70 gange forskel i, hvor let strøm, eller elektriske ladninger, kan bevæge sig gennem transistorer.

Forskningen, som kunne hjælpe ingeniører med at designe bedre digitale skærme og andre enheder, blev offentliggjort online 8. november i tidsskriftet Naturmaterialer .

Organiske halvledere har meget at byde på inden for elektronik. De er billige og fleksible, og produktionsprocessen er meget enklere end for traditionelle siliciumchips. Applikationer såsom computerskærme, digitale skilte eller magasiner lavet af "elektronisk papir" har været muligheder i mere end et årti, men deres fulde potentiale synes altid lige om hjørnet. Et vedvarende problem er, at ydeevnen fra transistor til transistor varierer meget mere, end der kan tillades i kommercielt levedygtige enheder.

"Du kan lave en enkelt enhed, der har høj opladningsmobilitet, ' men du skal virkelig lave tusindvis af dem, " sagde Alberto Salleo, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford og en senior medforfatter af papiret. "De fleste forskningsgrupper rapporterer om en høj variation i den mobilitet. Det, vi gjorde her, er at forsøge at forstå, hvad der forårsager variationen."

Systematisk undersøgelse

Salleos gruppe ledede et tværfagligt team af forskere i at lave en systematisk undersøgelse af en sandsynlig synder til den inkonsekvente transistor-ydeevne i polykrystallinske enheder:"korn"-grænserne mellem krystaller. Det viser sig, at forskellene i grænsejustering kan få den vej, som elektriske ladninger skal følge gennem en transistor, til at ligne mere et usammenhængende slag gennem lufthavnssikkerhed end en sprinters streg.

For at undersøge den rolle, grænsejustering spiller, avisens hovedforfatter, kandidatstuderende Jonathan Rivnay, voksede krystaller af en organisk halvleder kaldet PDI8-CN2, syntetiseret ved Northwestern University og Polyera Corp., en økologisk elektronikvirksomhed, ved hjælp af en proces, der sikrer ensartet justering fra krystal til krystal i en bestemt retning.

Han lavede derefter transistorer, hvor ladninger kunne strømme gennem molekyler, der var godt justeret med hinanden, og andre, hvor molekylerne var forkert justeret på tværs af korngrænserne. Den første type transistorer klarede sig langt bedre. Han gik videre for at knytte egenskaberne af disse grænser til den molekylære pakning i krystallerne.

Ud over holdets direkte elektriske målinger, forskerne brugte information fra omfattende teoretiske beregninger, lavet af medforfatter John E. Northrup ved Xerox Palo Alto Research Center, og med røntgenanalyse ledet af medforfatter Michael Toney ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource.

Kan påvirke fremtidig produktion

Rivnay sagde, at holdets arbejde kan have stor indflydelse på, hvordan organisk krystalelektronik fremstilles i fremtiden.

"Problemet med at forstå defekter i organiske elektroniske materialer, herunder korngrænser, er meget vigtigt for enhver enhedsapplikation, " sagde Rivnay. "Ved bedre at forstå, hvad der foregår ved disse grænser, og hvor skadelige de er, forbedringer kan foretages i kemienden såvel som i design- og fremstillingsenden af ​​processen. På denne måde kan enheder være mere reproducerbare og yde bedre."

Andre forfattere var Stanford kandidatstuderende Leslie Jimison i Materials Science and Engineering og Rodrigo Noriega i anvendt fysik; Northwestern University kemiker Tobin Marks; Polyera Corp. forsker Shaofeng Lu; og Northwestern fakultetsmedlem og Polyera Chief Technology Officer Antonio Facchetti. Finansiering kom fra flere amerikanske føderale institutioner, herunder forsvars- og energiafdelingerne og National Science Foundation, samt King Abdullah University of Science and Technology i Saudi-Arabien.

Leveret af Stanford University (nyheder:web)