røntgenstråler, computersimuleringer afslører krystalvækst

(Phys.org) — At tage et skridt mod meget eftertragtet fleksibel elektronik, et internationalt forskerhold, der fandt ud af, hvordan man kan belægge et organisk materiale som en tynd film – som at smøre smør på toast – ønskede et nærmere kig på, hvorfor deres smørbare organiske halvleder voksede, som den gjorde.

Indtast Cornell-forskere og Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), hvor en meget lille, ekstremt skarp røntgenstråle oplyste vejen for højhastighedsfilm, der viser, hvordan disse organiske molekyler dannede krystalgitre på nanoskala. Forståelse og justering af denne proces er nøglen til at fremme teknologien fra laboratoriekun til masseproduktion.

Visualiseringen af ​​krystalliseringsprocessen er detaljeret i en 16. april Naturkommunikation online publikation og involverer forskere fra Stanford University, King Abdullah University of Science and Technology, og Cornell. Cornell-teamet omfattede CHESS-medarbejderforskeren Detlef Smilgies, hvem ledede eksperimenterne på D1 røntgenstrålen hos CHESS; og Paulette Clancy, professor i kemi og biomolekylær teknik, som leverede den centrale teoretiske rygrad til at understøtte de eksperimentelle resultater.

Stanfords ingeniører havde tidligere beskrevet en metode kaldet opløsningsskæring, der påfører et tyndt lag organisk halvlederopløsningsmiddel på en flad overflade, som krystalliserer på millisekunder. De opfandt en anordning, der ligner en smørkniv, der spreder materialet.

For at fange denne proces, Smilgies samarbejdede med Stanford og KAUST-forskere for at udtænke en miniature-smørkniv, der er kompatibel med CHESS røntgeninstrumentering. De fokuserede synkrotronstrålen på et meget lille sted ved kanten af ​​smørkniven, affyrede den med intervaller med nogle få titus millisekunders mellemrum, mens kniven trak opløsningen af ​​den organiske halvleder hen ad en siliciumwafer.

"Kompleksiteten af ​​den faktiske krystalliseringsproces er forbløffende, " sagde Smilgies. "Der er en høj forskydningshastighed, hurtig fordampning af opløsningsmidlet, og så en ny krystalstruktur ved de højeste forskydningshastigheder, som gav den bedste transistorydelse.

Smilgies krediterede Stanford-kandidatstuderende Gaurav Giri for at erkende, at molekylær indeslutning - udtynding eller fortykkelse af væsken - var nøglespørgsmålet, og understøttede denne idé ved at studere opløsningsmidler med en række forskellige molekylstørrelser.

Clancy og Cornell kandidatstuderende Kristina Lenn tacklede problemet med, hvorfor visse opløsningsmidler påvirkede resultatet af krystallisering. De modellerede mange forskellige opløsningsmidler og viste, at molekylstørrelsen primært påvirkede, hvilke typer krystaller der blev dannet. Med andre ord, de gav den teoretiske indsigt, der understøttede fortolkningen af ​​eksperimenterne.

"Det var en overraskelse at se, at kun små ændringer i størrelsen af ​​opløsningsmiddelmolekylerne var tilstrækkelige til at forstyrre arrangementet af de nærliggende organiske halvledermolekyler, " sagde Clancy. "Efterhånden som opløsningsmiddelpartiklerne voksede i størrelse, man kunne synligt se halvledermolekylerne bøje og sno sig for at undgå belastningen."

Detaljeret viden om, hvordan man spreder sådanne tynde krystaller med en konsekvent præcis adfærd, giver et vigtigt skridt i retning af at gøre disse såkaldt anstrengte organiske halvledere til nyttige produkter som fleksible displays, smart tags og bioelektroniksensorer, sagde forskerne.