Nano-imaging prober molekylær lidelse

Ved hjælp af en nyudviklet billedbehandlingsmetode, LMU-forskere viser, at tyndfilms organiske halvledere indeholder områder med strukturel uorden, der kan hæmme transporten af ​​ladning og begrænse effektiviteten af ​​organiske elektroniske enheder.

Halvledere baseret på organiske polymerer eller små molekyler har flere fordele i forhold til deres konventionelle, mest silicium-baserede fætre. De er enklere og billigere at fremstille, og kan fremstilles i form af tynde, fleksible lag, hvilket gør det muligt at fastgøre dem til forskellige underlag og overflader. Denne alsidighed betyder, at organiske halvledere er af stor interesse til en bred vifte af applikationer – herunder optoelektroniske enheder som lysemitterende dioder og solceller. Deres elektriske ledningsevne og energieffektivitet er en funktion af egenskaberne af de materialer, de er lavet af. Det er derfor, LMU-forskere ledet af Dr. Bert Nickel, som også er medlem af Nanosystems Initiative Munich (NIM), en klynge af ekspertise, har undersøgt, hvordan graden af ​​molekylær orden inden for organiske tynde film påvirker mobiliteten og transporten af ​​ladningsbærerne i dem.

I halvlederbaserede komponenter, mobiliteten af ​​de ladningsbærende partikler – elektroner og deres positivt ladede modstykker, kendt som huller – skal være så høje som muligt. "Der har været modstridende rapporter om virkningen af ​​granulariteten og krystalliniteten af ​​den organiske halvledende tyndfilm på adskillelsen og transporten af ​​ladningsbærere indeni, " siger Nickel. Han og hans kolleger har nu set nærmere på den molekylære struktur af en tynd film af pentacen, en prototype af organisk halvleder.

Bringe strukturen i fokus

"Nanoskala undersøgelser som denne er meget udfordrende", siger LMU-fysiker Dr. Fritz Keilmann, en pioner inden for nærfeltsmikroskopi. "Vi har haft succes, fordi vi har udviklet en laserbaseret, højopløsnings billedbehandlingsmetode hos Neaspec GmbH, et spin-off fra Center for NanoScience ved LMU. Vi belyser den ekstremt fine spids af et atomkraftmikroskop med en fokuseret infrarød laserstråle. Spidsen fungerer som en nano-antenne og omdanner den indfaldende stråling til en intens nærfeltslyskilde med en diameter på omkring 20 nanometer. Dette er tilstrækkeligt til at give en højpræcisionsanalyse af strukturen af ​​den halvledende film - som afslører det rumlige arrangement af dens komponentmolekyler."

Til alles overraskelse, forsøgene viste, at mens de flade korn af pentacen, der udgør den tynde organiske film, ofte virker homogene over store områder, disse områder er afbrudt af indeslutninger, hvor pentacen-molekylerne er ordnet i et andet mønster eller krystallinsk fase. "På disse områder, pentacen-molekylerne er stærkere skråtstillet end dem i naboregionerne. Vi formoder, at disse indeslutninger hæmmer ladningsbærertransport i det organiske lag, snarere som klipper i en flod forstyrrer vandstrømmen, siger Christian Westermeier, første forfatter på undersøgelsen.

Forskelle i krystalstruktur på ekstremt korte skalaer er ikke kun relevante for driften af ​​elektroniske komponenter med høj ledningsevne, såsom transistorelementet, der er undersøgt i denne nye undersøgelse. De spiller også en afgørende rolle i organiske solceller, som består af flere sådanne molekylære lag. "Indtil nu, det har været meget vanskeligt at få adgang til disse strukturer eksperimentelt. Så vores metode kan yde et værdifuldt bidrag til vores forståelse af disse lagdelte systemer og til organisk elektronik generelt, " slutter Nickel.