Ένα πρόβλημα των οργανικών ημιαγωγών βρίσκει τη λύση του από ερευνητές του Berkeley Laboratory

Οι οργανικοί ημιαγωγοί είναι πολύτιμοι για παραγωγή LEDs (Light Emitting Diodes), FETs (Field Effect Transistors) και φωτοβολταϊκών κυψελών. Καθώς μπορούν να τυπωθούν από διάλυμα, παρέχουν υψηλής επεκτασιμότητας, οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση, για συσκευές που βασίζονται στο πυρίτιο. Ένα πρόβλημα που επέμενε για πολύ καιρό, ωστόσο, ήταν οι ανώμαλες επιδόσεις τους.

Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι τα ζητήματα των επιδόσεων προέρχονταν από τον τομέα των διεπαφών μέσα στη λεπτή μεμβράνη του οργανικού ημιαγωγού, αλλά δεν γνώριζαν την αιτία που τα προκαλούσε.

Αυτό το μυστήριο τώρα φαίνεται να επιλύεται. Η επιστημονική ομάδα, του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence, του Berkeley, του Τμήματος Ενέργειας των ΗΠΑ και του Πανεπιστημίου Berkeley της Καλιφόρνιας, υπό την καθοδήγηση της χημικού Naomi Ginsberg, χρησιμοποίησε ένα ειδικό μικροσκόπιο για να μελετήσει τις διεπαφές τομέων μέσα σε ένα ειδικά, υψηλής απόδοσης, επεξεργασμένο διάλυμα οργανικού ημιαγωγού, που ονομάζεται TIPS-πεντακένιο.

Η χημικός και η ομάδα της ανακάλυψαν ένα ανομοιογενές σύνολο από τυχαία προσανατολισμένους νανοκρυστάλλους, που βρέθηκαν κινητικά παγιδευμένοι ανάμεσα στις διεπαφές, κατά τη διάρκεια της διαμόρφωσης του διαλύματος. Αυτοί οι νανοκρύσταλλοι, όπως τα συντρίμμια σε ένα αυτοκινητόδρομο, εμποδίζουν τη ροή των φορέων του φορτίου. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν σε άρθρο στο Nature Communications.

Οι οργανικοί ημιαγωγοί βασίζονται στην ικανότητα του άνθρακα να σχηματίζει μεγαλομόρια, όπως η βενζίνη και πεντακένιο, με χαρακτηριστική ηλεκτρική αγωγιμότητα που βρίσκεται κάπου μεταξύ των μονωτών και των μετάλλων. Με επεξεργασία του διαλύματος , τα οργανικά υλικά μπορούν συνήθως να διαμορφώνονται σε κρυσταλλικές μεμβράνες, χωρίς τις δαπανηρές διαδικασίες που απαιτούνται για το πυρίτιο και άλλους ανόργανους ημιαγωγούς.

Ωστόσο, παρόλο που είναι εδώ και καιρό καθαρό ότι οι διεπαφές των κρυσταλλικών τομέων, στο εσωτερικό των ημιαγώγιμων λεπτών οργανικών μεμβρανών, είναι κρίσιμες για τις επιδόσεις τους σε συσκευές, έλλειπαν-μέχρι τώρα-λεπτομερείς πληροφορίες για τη μορφολογία αυτών των διεπαφών. Η Ginsberg και η ομάδα της ξεπέρασαν τις προκλήσεις χρησιμοποιώντας μικροσκοπία παροδικής απορρόφησης (ΤΑ), μια τεχνική κατά τη εφαρμογή της οποίας παλμοί λέιζερ διάρκειας femtosecond (10^-15 δευτερολέπτων ή ενός εκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου) διεγείρουν παροδικά τις ενεργειακές καταστάσεις, ενώ ανιχνευτές μετράνε τις αλλαγές στα φάσματα απορρόφησης.

Η χημικός Naomi Ginsberg και οι συνεργάτες της

Οι ερευνητές του Berkeley εργάζονται με αυτή τη μέθοδο σε μικροσκόπιο που οι ίδιοι κατασκεύασαν, που τους επιτρέπει να δημιουργούν εστιακές εντάσεις που είναι χιλιάδες φορές μικρότερες από αυτές ενός συμβατικού ΤΑ μικροσκοπίου. Ανάπτυξαν επίσης πολλαπλά διαφορετικές πολώσεις φωτός, που τους επέτρεψαν να απομονώσουν τα σήματα των διεπαφών που δεν φαινόταν σε κανένα από τους γειτονικούς τομείς.

Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε από την Ginsberg και την ομάδα της για να αποκαλύψουν δομικά μοτίβα σε κρυμμένες διεπαφές, σε λεπτές μεμβράνες οργανικού ημιαγωγού, μπορεί να προσθέσει ένα προγνωστικό παράγοντα για κλιμακούμενη και οικονομική επεξεργασία του διαλύματος αυτού του υλικού. Αυτή η ικανότητα πρόβλεψης θα μπορούσε να βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση ασυνεχειών και στη μεγιστοποίηση της κινητικότητας των φορέων φορτίου. Προς το παρόν, οι ερευνητές χρησιμοποιούν αυτό που ουσιαστικά είναι μια προσέγγιση δοκιμής-λάθους, κατά την οποία δοκιμάζονται διαφορετικές συνθήκες επεξεργασίας του διαλύματος, για να διαπιστωθεί πόσο καλά λειτουργούν οι συσκευές που προκύπτουν.

Πηγή: Lawrence Berkeley National Laboratory

Περισσότερα στο άρθρο: «Exciton dynamics reveals aggregates with intermolecular order at hidden interfaces in solution-cast organic semiconducting films». (Όπου υπάρχει διαδρομή για πληροφορίες σχετικές με το TIPS-πεντακένιο)