Forskere viser vejen frem for at forbedre organiske og molekylære elektroniske enheder

Fremtidsudsigterne for overlegne nye organiske elektroniske enheder er lysere nu takket være en ny undersøgelse foretaget af forskere med DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Arbejder på laboratoriets Molecular Foundry, et DOE nanoscience center, holdet har leveret den første eksperimentelle bestemmelse af de veje, hvormed elektrisk ladning transporteres fra molekyle-til-molekyle i en organisk tynd film. Deres resultater viser også, hvordan sådanne organiske film kan modificeres kemisk for at forbedre ledningsevnen.

"Vi har vist, at når molekylerne i organiske tynde film er justeret i bestemte retninger, der er meget bedre ledningsevne, " siger Miquel Salmeron, en førende autoritet inden for nanoskala overfladebilleddannelse, som leder Berkeley Labs Materials Sciences Division og som ledede denne undersøgelse. "Kemister ved allerede, hvordan man fremstiller organiske tynde film på en måde, der kan opnå en sådan justering, hvilket betyder, at de skal være i stand til at bruge informationen fra vores metode til at bestemme den molekylære justering og dens rolle på ladningstransport på tværs og langs molekylerne. Dette vil hjælpe med at forbedre ydeevnen af ​​fremtidige organiske elektroniske enheder."

Salmeron og Shaul Aloni, også af afdelingen for materialevidenskab, er de tilsvarende forfattere til en artikel i tidsskriftet Nano bogstaver der beskriver dette arbejde. Artiklen har titlen "Electron Microscopy Reveals Structure and Morphology of One Molecule Thin Organic Films." Andre medforfattere var Virginia Altoe, Florent Martin og Allard Katan.

Økologisk elektronik, også kendt som plast- eller polymerelektronik, er enheder, der bruger kulstofbaserede molekyler som ledere frem for metaller eller halvledere. De er værdsat for deres lave omkostninger, let vægt og gummiagtig fleksibilitet. Organisk elektronik forventes også at spille en stor rolle i molekylær databehandling, men til dato har deres brug været hæmmet af lav elektrisk ledningsevne i sammenligning med metaller og halvledere.

"Kemikere og ingeniører har brugt deres intuition og prøve-og-fejl-test til at gøre fremskridt på området, men på et tidspunkt rammer man en mur, medmindre man forstår, hvad der foregår på molekylært niveau, for eksempel, hvordan elektroner eller huller strømmer gennem eller på tværs af molekyler, hvordan ladningstransporten afhænger af strukturen af ​​de organiske lag og orienteringen af ​​molekylerne, og hvordan ladningstransporten reagerer på mekaniske kræfter og kemiske input, " siger Salmeron. "Med vores eksperimentelle resultater, vi har vist, at vi nu kan give svar på disse spørgsmål."

I dette studie, Salmeron og hans kolleger brugte elektrondiffraktionsmønstre til at kortlægge krystalstrukturerne af molekylære film lavet af monolag af korte versioner af almindeligt anvendte polymerer indeholdende lange kæder af thiophenenheder. De fokuserede specifikt på pentathiophensmørsyre (5TBA) og to af dens derivater (D5TBA og DH5TBA), der blev induceret til selv at samle sig på forskellige elektron-transparente substrater.

Pentathiophenes - molekyler, der indeholder en ring med fire kulstof- og et svovlatom - er medlemmer af en velundersøgt og lovende familie af organiske halvledere.

At opnå strukturelle krystallografiske kort over monolags organiske film ved hjælp af elektronstråler udgjorde en stor udfordring, som Aloni forklarer.

"Disse organiske molekyler er ekstremt følsomme over for højenergielektroner, " siger han. "Når du skyder en stråle af højenergielektroner gennem filmen, påvirker det straks molekylerne. Inden for få sekunder ser vi ikke længere den intermolekylære signaturjustering af diffraktionsmønsteret. På trods af dette, når den anvendes korrekt, elektronmikroskopi bliver et vigtigt værktøj, der kan give unik information om organiske prøver."

Salmeron, Aloni og deres kolleger overvandt udfordringen gennem kombinationen af ​​en unik strategi, de udviklede, og et transmissionselektronmikroskop (TEM) på Molecular Foundry's Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility. Elektrondiffraktionsmønstre blev opsamlet, da en parallel elektronstråle blev scannet over filmen, derefter analyseret af computer for at generere strukturelle krystallografiske kort.

"Disse kort indeholder kompromisløs information af størrelsen, symmetri og orientering af enhedscellen, domænernes orientering og struktur, graden af ​​krystallinitet, og eventuelle variationer på mikrometerskalaen, " siger førsteforfatter Altoe. "Sådanne data er afgørende for at forstå strukturen og de elektriske transportegenskaber af de organiske film, og giver os mulighed for at spore små ændringer drevet af kemiske modifikationer af støttefilmene."

I deres papir, the authors acknowledge that to gain structural information they had to sacrifice some resolution.

"The achievable resolution of the structural map is a compromise between sample radiation hardness, detector sensitivity and noise, and data acquisition rate, " Salmeron says. "To keep the dose of high energy electrons at a level the monolayer film could support and still be able to collect valuable information about its structure, we had to spread the beam to a 90 nanometer diameter. However a fast and direct control of the beam position combined with the use of fast and ultrasensitive detectors should allow for the use of smaller beams with a higher electron flux, resulting in a better than 10 nanometer resolution."

While the combination of organic molecular films and substrates in this study conduct electrical current via electron holes (positively-charged energy spaces), Salmeron and his colleagues say their structural mapping can also be applied to materials whose conductance is electron-based.

"We expect our methodology to have widespread applications in materials research, " Salmeron says.