Løsning af et organisk halvledermysterium

Organiske halvledere er værdsat for lysemitterende dioder (LED'er), felteffekttransistorer (FET'er) og fotovoltaiske celler. Da de kan udskrives fra opløsning, de giver en meget skalerbar, omkostningseffektivt alternativ til siliciumbaserede enheder. Ujævne præstationer, imidlertid, har været et vedvarende problem. Forskere har vidst, at præstationsproblemerne stammer fra domænegrænseflader inden for organiske halvleder tynde film, men har ikke kendt årsagen. Dette mysterium ser nu ud til at være løst.

Naomi Ginsberg, en fakultetskemiker ved det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California (UC) Berkeley, ledet et team, der brugte en unik form for mikroskopi til at studere domænegrænseflader i en særligt højtydende løsningsbehandlet organisk halvleder kaldet TIPS-pentacen. Hun og hendes team opdagede et rodet virvar af tilfældigt orienterede nanokrystallitter, der bliver kinetisk fanget i grænsefladerne under opløsningsstøbning. Som affald på en motorvej, disse nanokrystallitter hæmmer strømmen af ​​ladningsbærere.

"Hvis grænsefladerne var pæne og rene, de ville ikke have så stor indflydelse på ydeevnen, men tilstedeværelsen af ​​nanokrystallitterne reducerer ladningsbærerens mobilitet, " siger Ginsberg. "Vores nanokrystallitmodel for grænsefladen, som er i overensstemmelse med observationer, giver kritisk information, der kan bruges til at korrelere løsningsbehandlingsmetoder til optimal enhedsydelse."

Ginsberg, som har aftaler med Berkeley Labs Physical Biosciences Division og dens Materials Sciences Division, samt UC Berkeleys afdelinger for kemi og fysik, er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i Naturkommunikation . Artiklen har titlen "Exciton dynamics afslører aggregater med intermolekylær orden ved skjulte grænseflader i opløsningsstøbte organiske halvledende film." Medforfattere er Cathy Wong, Benjamin Cotts og Hao Wu.

Organiske halvledere er baseret på kulstofs evne til at danne større molekyler, såsom benzen og pentacen, med elektrisk ledningsevne, der falder et sted mellem isolatorer og metaller. Gennem løsningsbehandling, organiske materialer kan sædvanligvis formes til krystallinske film uden den dyre højtemperaturglødningsproces, der kræves til silicium og andre uorganiske halvledere. Imidlertid, selvom det længe har været klart, at de krystallinske domænegrænseflader i halvleder-organiske tynde film er afgørende for deres ydeevne i enheder, detaljerede oplysninger om morfologien af ​​disse grænseflader har manglet indtil nu.

"Grænsefladedomæner i tynde organiske halvlederfilm er mindre end diffraktionsgrænsen, skjult for overfladesondeteknikker såsom atomkraftmikroskopi, og deres nanoskala-heterogenitet løses ikke typisk ved hjælp af røntgenmetoder, " siger Ginsberg. "Desuden, den krystallinske TIPS-pentacen, vi undersøgte, har praktisk talt ingen emission, hvilket betyder, at det ikke kan studeres med fotoluminescensmikroskopi."

Ginsberg og hendes gruppe overvandt udfordringerne ved at bruge transient absorption (TA) mikroskopi, en teknik, hvor femtosekund-laserimpulser exciterer transiente energitilstande, og detektorer måler ændringerne i absorptionsspektrene. Berkeley-forskerne udførte TA-mikroskopi på et optisk mikroskop, de selv konstruerede, som gjorde det muligt for dem at generere brændvidder, der er tusind gange mindre, end det er typisk for konventionelle TA-mikroskoper. De implementerede også flere forskellige lyspolariseringer, der gjorde det muligt for dem at isolere grænsefladesignaler, der ikke blev set i nogen af ​​de tilstødende domæner.

"Instrument, inklusive meget gode detektorer, den omhyggelige indsamling af data for at sikre gode signal-til-støj-forhold, og måden, vi lavede eksperimentet og analysen på, var alle afgørende for vores succes, " Ginsberg siger. "Vores rumlige opløsning og lyspolarisationsfølsomhed var også afgørende for utvetydigt at kunne se en signatur af grænsefladen, der ikke var oversvømmet af hovedparten, hvilket bidrager meget mere til det rå signal i volumen."

Metologien udviklet af Ginsberg og hendes team til at afdække strukturelle motiver ved skjulte grænseflader i organiske halvleder tynde film bør tilføje en forudsigende faktor til skalerbar og overkommelig løsningsbehandling af disse materialer. Denne forudsigelsesevne skulle hjælpe med at minimere diskontinuiteter og maksimere ladebærers mobilitet. I øjeblikket, forskere bruger, hvad der i bund og grund er en trial-and-error-tilgang, hvor forskellige opløsningsstøbningsbetingelser testes for at se, hvor godt de resulterende enheder yder.

"Vores metodologi giver et vigtigt mellemled i feedback-sløjfen af ​​enhedsoptimering ved at karakterisere de mikroskopiske detaljer i filmene, der går ind i enhederne, og ved at udlede, hvordan løsningsstøbningen kunne have skabt strukturerne ved grænsefladerne, " siger Ginsberg. "Som et resultat, vi kan foreslå, hvordan man ændrer den delikate balance mellem opløsningsstøbningsparametre for at lave mere funktionelle film."