Framtidsutsikterna för överlägsna nya organiska elektroniska enheter är ljusare nu tack vare en ny studie av forskare med DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Arbetar på Labs Molecular Foundry, ett DOE nanovetenskapscenter, teamet har tillhandahållit den första experimentella bestämningen av vägarna genom vilka elektrisk laddning transporteras från molekyl till molekyl i en organisk tunn film. Deras resultat visar också hur sådana organiska filmer kan modifieras kemiskt för att förbättra konduktansen.

"Vi har visat att när molekylerna i organiska tunna filmer är inriktade i vissa riktningar, det finns mycket bättre konduktans, " säger Miquel Salmeron, en ledande auktoritet inom ytavbildning i nanoskala som leder Berkeley Labs Materials Sciences Division och som ledde denna studie. "Kemister vet redan hur man tillverkar organiska tunna filmer på ett sätt som kan uppnå en sådan anpassning, vilket innebär att de borde kunna använda informationen som tillhandahålls av vår metodik för att bestämma den molekylära inriktningen och dess roll på laddningstransport över och längs molekylerna. Detta kommer att bidra till att förbättra prestandan för framtida ekologiska elektroniska enheter."

Salmeron och Shaul Aloni, även av Materials Sciences Division, är motsvarande författare till en artikel i tidskriften Nanobokstäver som beskriver detta arbete. Uppsatsen har titeln "Electron Microscopy Reveals Structure and Morphology of One Molecule Thin Organic Films." Andra medförfattare var Virginia Altoe, Florent Martin och Allard Katan.

Organisk elektronik, även känd som plast- eller polymerelektronik, är enheter som använder kolbaserade molekyler som ledare snarare än metaller eller halvledare. De är prisade för sina låga kostnader, lätt vikt och gummiliknande flexibilitet. Organisk elektronik förväntas också spela en stor roll i molekylär datoranvändning, men hittills har deras användning hämmats av låg elektrisk ledningsförmåga i jämförelse med metaller och halvledare.

"Kemister och ingenjörer har använt sin intuition och trial-and-error-tester för att göra framsteg på området, men någon gång träffar man en vägg om man inte förstår vad som händer på molekylär nivå, till exempel, hur elektroner eller hål flödar genom eller över molekyler, hur laddningstransporten beror på strukturen hos de organiska lagren och molekylernas orientering, och hur laddningstransporten reagerar på mekaniska krafter och kemiska insatser, " säger Salmeron. "Med våra experimentella resultat, vi har visat att vi nu kan ge svar på dessa frågor."

I den här studien, Salmeron och hans kollegor använde elektrondiffraktionsmönster för att kartlägga kristallstrukturerna i molekylära filmer gjorda av monolager av korta versioner av vanliga polymerer som innehåller långa kedjor av tiofenenheter. De fokuserade specifikt på pentatiofen-smörsyra (5TBA) och två av dess derivat (D5TBA och DH5TBA) som inducerades att självmontera på olika elektrontransparenta substrat.

Pentatiofener - molekyler som innehåller en ring med fyra kol- och en svavelatom - är medlemmar i en välstuderad och lovande familj av organiska halvledare.

Att erhålla strukturella kristallografiska kartor över organiska filmer i ett skikt med hjälp av elektronstrålar utgjorde en stor utmaning, som Aloni förklarar.

"Dessa organiska molekyler är extremt känsliga för högenergielektroner, " säger han. "När du skjuter en stråle av högenergielektroner genom filmen påverkar det omedelbart molekylerna. Inom några sekunder ser vi inte längre signaturens intermolekylära inriktning av diffraktionsmönstret. Trots detta, när den tillämpas korrekt, elektronmikroskopi blir ett viktigt verktyg som kan ge unik information om organiska prover."

Salmeron, Aloni och deras kollegor övervann utmaningen genom kombinationen av en unik strategi som de utvecklade och ett transmissionselektronmikroskop (TEM) vid Molecular Foundry's Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility. Elektrondiffraktionsmönster samlades upp när en parallell elektronstråle skannades över filmen, analyseras sedan med dator för att generera strukturella kristallografiska kartor.

"Dessa kartor innehåller kompromisslös information om storleken, symmetri och orientering av enhetscellen, domänernas orientering och struktur, graden av kristallinitet, och eventuella variationer på mikrometerskalan, " säger första författaren Altoe. "Sådana data är avgörande för att förstå strukturen och elektriska transportegenskaper hos de organiska filmerna, och låter oss spåra små förändringar som drivs av kemiska modifieringar av stödfilmerna."

I deras tidning, författarna erkänner att för att få strukturell information var de tvungna att offra en viss upplösning.

"Den uppnåbara upplösningen av strukturkartan är en kompromiss mellan provets strålningshårdhet, detektorkänslighet och brus, och datainsamlingshastighet, " säger Salmeron. "För att hålla dosen av högenergielektroner på en nivå som monolagerfilmen skulle kunna stödja och fortfarande kunna samla in värdefull information om dess struktur, we had to spread the beam to a 90 nanometer diameter. However a fast and direct control of the beam position combined with the use of fast and ultrasensitive detectors should allow for the use of smaller beams with a higher electron flux, resulting in a better than 10 nanometer resolution."

While the combination of organic molecular films and substrates in this study conduct electrical current via electron holes (positively-charged energy spaces), Salmeron and his colleagues say their structural mapping can also be applied to materials whose conductance is electron-based.

"We expect our methodology to have widespread applications in materials research, " Salmeron says.