(Phys.org) — Att ta ett steg mot eftertraktad flexibel elektronik, ett internationellt forskarlag som kom på hur man belägger ett organiskt material som en tunn film – som att breda smör på rostat bröd – ville ha en närmare titt på varför deras bredbara organiska halvledare växte som den gjorde.

Ange Cornell-forskare och Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), där en mycket liten, extremt ljus röntgenstråle visade vägen för höghastighetsfilmer som visar hur dessa organiska molekyler bildade kristallgitter i nanoskala. Att förstå och ställa in denna process är nyckeln till att utveckla tekniken från enbart laboratorietillverkning till massproduktion.

Visualiseringen av kristalliseringsprocessen är detaljerad i en 16 april Naturkommunikation onlinepublikation och involverar forskare från Stanford University, King Abdullah University of Science and Technology, och Cornell. Cornell-teamet inkluderade CHESS-personalforskaren Detlef Smilgies, som ledde experimenten på D1 röntgenstrållinjen vid CHESS; och Paulette Clancy, professor i kemi- och biomolekylär teknik, som gav den viktigaste teoretiska ryggraden för att stödja de experimentella resultaten.

Stanfords ingenjörer hade tidigare beskrivit en metod som kallas lösningsskjuvning som applicerar ett tunt lager av organiskt halvledarlösningsmedel på en plan yta, som kristalliseras på millisekunder. De uppfann en anordning som liknar en smörkniv som sprider materialet.

För att fånga denna process, Smilgies samarbetade med forskare från Stanford och KAUST för att ta fram en miniatyrsmörkniv som är kompatibel med CHESS röntgeninstrument. De fokuserade synkrotronstrålen på en mycket liten fläck vid kanten av smörkniven, avfyra den med intervaller med några tiotals millisekunders mellanrum när kniven släpade lösningen av den organiska halvledaren längs en kiselskiva.

"Komplexiteten i den faktiska kristalliseringsprocessen är häpnadsväckande, " sa Smilgies. "Det finns en hög skjuvhastighet, snabb avdunstning av lösningsmedlet, och sedan en ny kristallstruktur vid de högsta skjuvhastigheterna, som gav den bästa transistorprestandan.

Smilgies krediterade Stanford-studenten Gaurav Giri för att ha insett att molekylär inneslutning – förtunning eller förtjockning av vätskan – var nyckelfrågan, och stödde denna idé genom att studera lösningsmedel med en mängd olika molekylstorlekar.

Clancy och Cornell doktorand Kristina Lenn tacklade problemet med varför vissa lösningsmedel påverkade resultatet av kristallisering. De modellerade många olika lösningsmedel och visade att molekylstorleken främst påverkade vilka typer av kristaller som bildades. Med andra ord, de gav de teoretiska insikterna som stödde tolkningen av experimenten.

"Det var en överraskning att se att bara små förändringar i storleken på lösningsmedelsmolekylerna var tillräckliga för att störa arrangemanget av de närliggande organiska halvledarmolekylerna, ", sa Clancy. "När lösningsmedelspartiklarna växte i storlek, du kunde synligt se halvledarmolekylerna böjas och vridas för att undvika påfrestningen."

Detaljerad kunskap om hur man sprider sådana tunna kristaller med ett konsekvent exakt beteende ger ett viktigt steg mot att göra dessa så kallade ansträngda organiska halvledare till användbara produkter som flexibla displayer, smarta taggar och bioelektroniksensorer, sa forskarna.