Det här fotot visar en uppsättning av 1 mm breda och 2 cm långa enkristalliska organiska halvledare. De snyggt inriktade blå remsorna är det som ger större elektrisk laddningsrörlighet. Stanford -logotypen som visas här är samma storlek som en krona. Upphovsman:Y. Diao et al.
SLAC och Stanford forskare har utvecklat en ny, tryckprocess för organisk tunnfilmselektronik som resulterar i filmer av slående högre kvalitet.
Genom innovationer till en tryckprocess, forskare har gjort stora förbättringar av organisk elektronik - en teknik som efterfrågas för lättvikt, billiga solceller, flexibla elektroniska displayer och små sensorer. Utskriftsmetoden är snabb och arbetar med en mängd olika organiska material för att producera halvledare av slående högre kvalitet än vad som hittills har uppnåtts med liknande metoder.
Organisk elektronik har stora löften för en mängd olika applikationer, men även de filmer av högsta kvalitet som finns idag saknar hur bra de leder elektrisk ström. Teamet från US Department of Energy (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University har utvecklat en tryckprocess som de kallar FLUENCE-vätskeförstärkt kristallteknik-som för vissa material resulterar i tunna filmer som kan leda el 10 gånger mer effektivt än de som skapats med konventionella metoder.
"Ännu bättre, de flesta koncepten bakom FLUENCE kan skala upp för att möta branschens krav, "sa Ying Diao, en SLAC/Stanford postdoktor och huvudförfattare till studien, som dök upp idag i Naturmaterial .
Stefan Mannsfeld, en SLAC-materialfysiker och en av experimentets främsta utredare, sa att nyckeln var att fokusera på utskriftsprocessens fysik snarare än halvledarens kemiska sammansättning. Diao konstruerade processen för att producera remsor av stora, prydligt inriktade kristaller som elektrisk laddning lätt kan flöda igenom, samtidigt som man bibehåller fördelarna med "ansträngda gitter" -strukturen och "lösningsklippning" -tekniken som tidigare utvecklats i labbet för Mannsfelds medchef, Professor Zhenan Bao vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, ett gemensamt SLAC-Stanford institut.
Denna skanningselektronmikrograf visar mikropilarna inbäddade i klippbladet som används vid utskriftsprocessen. Pelarna är 35 mikrometer gånger 42 mikrometer - mindre än halva bredden av ett genomsnittligt människohår i båda riktningarna - och blanda den organiska halvledarlösningen, se till att den deponeras jämnt. Kredit:Kredit:Y. Diao et al.
För att göra framsteg, Diao fokuserade på att kontrollera flödet av vätskan i vilken det organiska materialet är löst. "Det är en viktig pusselbit, " sa hon. Om bläckflödet inte fördelar sig jämnt, som ofta är fallet vid snabb utskrift, de halvledande kristallerna kommer att vara fulla av defekter. "Men inom detta område har det gjorts lite forskning om att kontrollera vätskeflödet."
Diao designade ett tryckblad med små pelare inbäddade i det som blandar bläcket så att det bildar en enhetlig film. Hon konstruerade också en väg runt ett annat problem:tendensen hos kristaller att slumpmässigt bildas över substratet. En serie smart designade kemiska mönster på substratet undertrycker bildningen av oregerliga kristaller som annars skulle växa ur linje med utskriftsriktningen. Resultatet är en film av stora, väl anpassade kristaller.
Röntgenstudier av gruppens organiska halvledare vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) gjorde det möjligt för dem att inspektera deras framsteg och fortsätta göra förbättringar, så småningom visar snyggt arrangerade kristaller minst 10 gånger längre än kristaller skapade med andra lösningsbaserade tekniker, och av mycket större strukturell perfektion.
Gruppen upprepade också experimentet med ett andra organiskt halvledarmaterial med en signifikant annan molekylstruktur, och igen såg de en märkbar förbättring av filmens kvalitet. De tror att detta är ett tecken på att teknikerna kommer att fungera i en mängd olika material.
Denna bild visar en korspolariserad optisk mikroskop som jämför ett prov av en organisk halvledande film skapad utan mikropilar (upptill) och med mikropilar (nedre) i skalor på både en millimeter och 50 mikrometer. Notera enhetligheten hos kristallerna i den nedre bilden jämfört med den översta bilden. Kredit:Kredit:Y. Diao et al.
Huvudutredarna Bao och Mannsfeld säger att nästa steg för gruppen är att fästa det underliggande förhållandet mellan materialet och processen som möjliggjorde ett sådant fantastiskt resultat. En sådan upptäckt skulle kunna ge en oöverträffad grad av kontroll över de elektroniska egenskaperna hos tryckta filmer, optimera dem för de enheter som kommer att använda dem.
"Det kan leda till ett revolutionerande framsteg inom organisk elektronik, " sa Bao. "Vi har gjort utmärkta framsteg, men jag tror att vi bara kliar på ytan. "
