(PhysOrg.com) -- Elektroniska enheter kan inte fungera bra om inte alla transistorer, eller strömbrytare, inom dem tillåter elektrisk ström att flyta lätt när de slås på. Ett team av ingenjörer har bestämt varför vissa transistorer gjorda av organiska kristaller inte fungerar bra, ger idéer om hur man kan få dem att fungera bättre.

Ge insikt i en frustrerande inkonsekvens i prestandan hos elektronik tillverkad av organiska material, Stanford-forskare har visat att hur gränserna mellan enskilda kristaller i en film är inriktade kan göra en 70-faldig skillnad i hur lätt strömmen, eller elektriska laddningar, kan röra sig genom transistorer.

Forskningen, som kan hjälpa ingenjörer att designa bättre digitala skärmar och andra enheter, publicerades online den 8 november i tidskriften Naturmaterial .

Organiska halvledare har mycket att erbjuda inom elektronik. De är billiga och flexibla, och produktionsprocessen är mycket enklare än för traditionella silikonchips. Tillämpningar som datorskärmar, digitala skyltar eller tidningar gjorda av "elektroniskt papper" har varit möjligheter i mer än ett decennium, men deras fulla potential verkar alltid precis runt hörnet. Ett ihållande problem är att prestandan från transistor till transistor varierar mycket mer än vad som kan tillåtas i kommersiellt gångbara enheter.

"Du kan göra en enda enhet som har hög laddningsmobilitet, ' men du behöver verkligen göra tusentals av dem, sa Alberto Salleo, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford och en senior medförfattare till uppsatsen. "De flesta forskargrupper rapporterar en stor variation i den rörligheten. Det vi gjorde här är att försöka förstå vad som orsakar variationen."

Systematisk studie

Salleos grupp ledde ett multidisciplinärt team av forskare i att göra en systematisk studie av en trolig boven till den inkonsekventa transistorprestanda i polykristallina enheter:"korn"-gränserna mellan kristaller. Det visar sig att skillnaderna i gränsinriktning kan göra att vägen som elektriska laddningar måste följa genom en transistor ser mer ut som ett osammanhängande slag genom flygplatssäkerhet än en sprinters streck.

För att undersöka vilken roll gränsöverensstämmelse spelar, tidningens huvudförfattare, doktorand Jonathan Rivnay, växte kristaller av en organisk halvledare som heter PDI8-CN2, syntetiserad vid Northwestern University och Polyera Corp., ett ekologiskt elektronikföretag, med hjälp av en process som säkerställer konsekvent anpassning från kristall till kristall i en viss riktning.

Han gjorde sedan transistorer där laddningar kunde flöda genom molekyler som var väl inriktade med varandra, och andra där molekylerna var felinriktade över korngränserna. Den första typen av transistorer fungerade mycket bättre. Han gick vidare för att koppla egenskaperna hos dessa gränser till den molekylära packningen i kristallerna.

Förutom lagets direkta elektriska mätningar, forskarna använde information från omfattande teoretiska beräkningar, gjord av medförfattaren John E. Northrup vid Xerox Palo Alto Research Center, och med röntgenanalys under ledning av medförfattaren Michael Toney vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource.

Kan påverka framtida produktion

Rivnay sa att lagets arbete starkt kan påverka hur organisk kristallelektronik tillverkas i framtiden.

"Problemet med att förstå defekter i organiskt elektroniskt material inklusive korngränser är mycket viktigt för alla enhetstillämpningar, ", sa Rivnay. "Genom att bättre förstå vad som händer vid dessa gränser, och hur skadliga de är, förbättringar kan göras i kemisidan såväl som vid design- och tillverkningsändan av processen. På så sätt kan enheter bli mer reproducerbara och prestera bättre."

Andra författare var Stanford doktorander Leslie Jimison i materialvetenskap och teknik och Rodrigo Noriega i tillämpad fysik; Northwestern University kemist Tobin Marks; Polyera Corp. forskare Shaofeng Lu; och Northwestern fakultetsmedlem och Polyera Chief Technology Officer Antonio Facchetti. Finansiering kom från flera amerikanska federala institutioner, inklusive avdelningarna för försvar och energi och National Science Foundation, samt King Abdullah University of Science and Technology i Saudiarabien.

Tillhandahålls av Stanford University (nyheter:webb)