Røntgenstråler afslører monolag fase i organisk halvleder

Et team af forskere fra Rusland, Tyskland, og Frankrig, med materialeforskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, har undersøgt, hvordan de elektriske egenskaber af dihexyl-kvartthiophen tynde film afhænger af deres struktur. Dette materiale er en organisk halvleder med udsigt til fleksibel elektronik.

Når de tynde film gennemgår en overgang fra krystal til flydende krystaltilstand, de mister noget af deres elektriske ledningsevne. Holdet opdagede også en "tredje fase", der ikke forekommer i bulkmateriale og svarer til et monomolekylært lag af halvlederen. Denne struktur kunne være gunstig for ladningstransport på tværs af filmene, med potentielle implikationer for mikroelektronikdesign. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Forskningsbreve i nanoskala .

Oligothiophener er lovende organiske halvledere. Deres stavformede molekyler kan orientere sig på overfladen, hvorpå de er blevet aflejret, ophobning af kredsløb af kulbrinter indeholdende et svovlatom kendt som thiophener, som stakke af mønter. "Møntkanterne" i nabostablerne danner et sildebensmønster. Dette molekylære arrangement muliggør ladningsoverførsel fra det ene molekyle til det andet.

Når antallet af thiophener i molekylet stiger, det samme gør den elektriske ledningsevne, på bekostning af forbindelsens opløselighed. Det optimale antal af disse såkaldte thiophendele er fire. For at øge opløseligheden, hexylfragmenter podes til enderne af det konjugerede molekylære fragment (fig. 1).

Forskerne opløste og inddampede dihexyl-kvarthiophen (DH4T) i en vakuumreaktor og afsatte materialet som tynde film på et siliciumsubstrat. De fortsatte med at studere krystalstrukturen af ​​prøverne ved hjælp af røntgendiffraktion med græsning. Denne teknik involverer at udsætte en film for røntgenstråler i en meget lille blikvinkel for at maksimere den afstand, røntgenstrålen rejser i filmen, gennemgår mange refleksioner. Ellers, signalet fra den tynde film ville være for svagt til at kunne skelnes fra substratsignalet. Diffraktionsmålingerne gjorde det muligt for teamet at identificere det molekylære arrangement i materialet, der var aflejret på substratet.

I første omgang, DH4T var meget krystallinsk. Dens molekyler dannede et sildebensmønster og var placeret næsten vinkelret på substratet. Imidlertid, en gang opvarmet til 85 grader Celsius, materialet gennemgik en faseovergang:Det molekylære arrangement ændrede sig, danner en flydende krystalfase, og filmens elektriske ledningsevne faldt.

Prøven blev yderligere opvarmet til 130 C og efterfølgende afkølet til stuetemperatur. Dette genoprettede delvist materialets krystallinitet, og dermed ledningsevne.

I løbet af opvarmningen, en tredje struktur opstod i røntgendiffraktionsprofilen, angivet ved svage diffraktionsmaksima, der ikke svarer til den flydende krystalfase. Tidligere forskning har korreleret sådanne maksima med monolag af forbindelser som DH4T. Interessant nok, denne "tredje fase" blev også observeret ved 70 C.

Strukturen af ​​monolaget opdaget af holdet er gunstig til ladningstransport langs filmens plan, gør den vigtig for fleksible elektronikapplikationer. Udover det, den nyligt observerede fase kunne også forekomme i de tynde film af andre forbindelser, hvis struktur ligner den af ​​DH4T. Sådanne materialer bruges i mikroelektronik. Da ladning overvejende overføres i et meget tyndt lag nær substratet, forskernes resultater peger på behovet for at overveje, hvordan materialets nanostruktur påvirker dets ledningsevne.

Professor Dimitri Ivanov leder Laboratory of Functional Organic and Hybrid Materials ved MIPT og er også forskningsdirektør ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS). Han var medforfatter til undersøgelsen rapporteret i denne historie og kommenterede dens resultater:"Ved brug af in situ metoder, såsom strukturelle analyser, og samtidig måling af prøvens elektriske egenskaber gør det muligt for os at få indsigt i karakteren af ​​komplekse faseovergange i materialet og vurdere dets potentiale for praktiske anvendelser i organisk elektronik."