Nya molekyler skapade av forskare vid Kyushu University riktar sig i genomsnitt mot samma del av molekylen som pekar bort från en yta. Genom att fästa olika enheter som trycker eller drar negativt laddade elektroner mot eller bort från denna orienteringsbestämmande sektion, kunde forskarna uppnå elektriska fält i tunna lager av materialen när molekylerna spontant anpassar sig vid avsättning på en yta för att skapa en gigantisk ytpotential. Denna figur visar två sådana molekyler, med rött som indikerar områden med mer negativ laddning och blå områden med mindre negativ laddning. Även om den gemensamma enheten i mitten i allmänhet riktar sig bort från ytan, resulterar de olika omgivande enheterna i positiva eller till och med negativa fält vid ytan. Denna nya nivå av kontroll av elektriska fält i tunna lager skulle kunna användas för att förbättra prestanda hos organiska lysdioder och för att realisera nya enheter som omvandlar vibrationer till elektricitet. Kredit:Kyushu University
I en molekylär bedrift som liknar att få fotgängare i ett övergångsställe att spontant börja gå i takt, har forskare vid Kyushu University skapat en serie molekyler som tenderar att vända sig åt samma håll för att bilda en "gigantisk ytpotential" när de avdunstar på en yta.
Forskarna hoppas kunna använda metoden för att generera kontrollerade elektriska fält som hjälper till att förbättra effektiviteten hos organiska lysdioder som används i displayer och belysning och öppna nya vägar för att realisera enheter som omvandlar vibrationer till elektricitet med organiska material.
Baserat på kolets fantastiska kemiska mångsidighet som gör levande organismer möjliga driver organisk elektronik redan en våg av levande – och till och med flexibla – smartphone- och tv-skärmar, med tillämpningar i solceller, lasrar och kretsar vid horisonten.
Denna flexibilitet beror delvis på den oordnade naturen hos de tunna filmerna av materialen som används i anordningarna. Till skillnad från vanlig oorganisk elektronik baserad på kiselatomer som är tätt sammankopplade i stela, välorganiserade kristaller, bildar organiska ämnen vanligtvis "amorfa" lager som inte är lika snyggt organiserade.
Trots den till synes slumpmässiga organisationen av molekylerna har forskare funnit att vissa faktiskt tenderar att rikta in sig i liknande riktningar, vilket djupt påverkar en enhets egenskaper och skapar nya möjligheter för att kontrollera enhetens prestanda.
"Betydande arbete har redan gjorts på molekyler som riktar sig på ett sätt så att ljuset de avger lättare kan fly från en enhet", säger Masaki Tanaka, biträdande professor vid Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) som startade detta arbete samtidigt som vid Kyushu University's Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) och fortsatte vidare studier av den molekylära inriktningen i amorfa filmer efter hans övergång till TUAT.
"Men andra molekyler var kända för att anpassa sig på ett sätt som placerar fler av deras elektroner på ena sidan av lagret, vilket leder till en så kallad ytpotential åtföljd av ett elektriskt fält. Detta fält kan hjälpa laddningar att flytta in i eller ut ur en enhet för att göra den effektivare eller låsa upp nya elektriska egenskaper, men det har varit en utmaning att hitta sätt att kontrollera bildandet av fältet."
Filmer som används i organisk elektronik är vanligtvis bara tiotals nanometer tjocka – en bråkdel av tjockleken på ett människohår – och byggs ofta upp gradvis genom att först värma upp ett organiskt pulver i vakuum så att det direkt övergår från ett fast ämne till en gas, en process som kallas sublimering. När molekyler av det sublimerade pulvret når en sval yta fastnar de och bildar ett lager.
"I gasfasen roterar molekylerna slumpmässigt och stöter in i varandra, så de kommer sannolikt att avsättas i en slumpmässig riktning på en film", förklarar Morgan Auffray, som syntetiserade molekylerna. "Men vi fann att vissa molekylära enheter med fluoratomer i princip kommer att stöta bort från deponeringsytan. Genom att inkludera dessa enheter i en molekyl kan vi få de deponerade molekylerna att grovt anpassa sig, med de fluorerade enheterna vända utåt."
Forskarna fäste sedan delar som trycker och drar negativt laddade elektroner mot eller bort från den fluorerade enheten. Denna obalans av laddningar över de inriktade molekylerna på en yta leder till den så kallade ytpotentialen och ett resulterande elektriskt fält.
"Eftersom de deponerade molekylerna och deras associerade elektriska fält pekar i en liknande riktning, lägger de enskilda små fälten samman för att producera ett mycket större övergripande fält", säger Tanaka. "Vi kan inte bara få ett relativt större fält, utan vi kan få det att peka mot ytan, vilket sällan har rapporterats hittills."
Dessa lager ger en enorm ytpotential på nästan 10 V, vilket är särskilt imponerande med tanke på att det spontant producerades av en film som bara var 100 nm tjock.
En så stor spänning över en så liten tjocklek producerar ett högt elektriskt fält som kan hjälpa till att få positiva och negativa laddningar in i de olika skikten av enheter som OLED, vilket förbättrar den totala effektkonverteringseffektiviteten.
Dessutom kan dessa kontrollerade, inbyggda elektriska strukturer hjälpa till att förverkliga nya enheter. Forskarna har redan visat att skikten kan användas i en ny typ av anordning som omvandlar vibrationer till elektricitet, men mer arbete återstår för att göra sådana anordningar praktiska.
"Vetenskapen visar oss hela tiden nya sätt att kontrollera elektriska processer i mindre och mindre skala genom att ordna atomer i organiska molekyler", säger Chihaya Adachi, chef för OPERA. "Denna forskning bidrar till vår verktygsväska, som kommer att göra nya enheter möjliga när den fortsätter att växa."
Forskningen publicerades i Nature Materials . + Utforska vidare
