Med hjälp av en nyutvecklad bildbehandlingsmetod, LMU-forskare visar att tunnfilms organiska halvledare innehåller områden med strukturell störning som kan hämma transporten av laddning och begränsa effektiviteten hos organiska elektroniska enheter.

Halvledare baserade på organiska polymerer eller små molekyler har flera fördelar jämfört med sina konventionella, mestadels kiselbaserade kusiner. De är enklare och billigare att tillverka, och kan tillverkas i form av tunna, flexibla lager, vilket gör att de kan fästas på olika underlag och ytor. Denna mångsidighet gör att organiska halvledare är av stort intresse för ett brett spektrum av applikationer – inklusive optoelektroniska enheter som lysdioder och solceller. Deras elektriska ledningsförmåga och energieffektivitet är en funktion av egenskaperna hos de material som de är gjorda av. Det är därför LMU-forskare ledda av Dr. Bert Nickel, som också är medlem i Nanosystems Initiative Munich (NIM), ett kluster av excellens, har undersökt hur graden av molekylär ordning inom organiska tunna filmer påverkar rörligheten och transporten av laddningsbärarna inom dem.

I halvledarbaserade komponenter, rörligheten hos de laddningsbärande partiklarna – elektroner och deras positivt laddade motsvarigheter, så kallade hål – bör vara så högt som möjligt. "Det har förekommit motstridiga rapporter om effekten av granulariteten och kristalliniteten hos den organiska halvledande tunna filmen på separationen och transporten av laddningsbärare inuti, säger Nickel. Han och hans kollegor har nu tittat närmare på molekylstrukturen hos en tunn film av pentacen, en prototyp av organisk halvledare.

Att sätta strukturen i fokus

"Sådana nanoskalastudier är mycket utmanande", säger LMU-fysikern Dr Fritz Keilmann, en pionjär inom området närfältsmikroskopi. "Vi har varit framgångsrika eftersom vi har utvecklat en laserbaserad, högupplöst bildbehandlingsmetod hos Neaspec GmbH, en spin-off från Center for NanoScience vid LMU. Vi belyser den extremt fina spetsen av ett atomkraftmikroskop med en fokuserad infraröd laserstråle. Spetsen fungerar som en nanoantenn och omvandlar den infallande strålningen till en intensiv närfältsljuskälla med en diameter på cirka 20 nanometer. Detta räcker för att ge en högprecisionsanalys av strukturen av den halvledande filmen – som avslöjar det rumsliga arrangemanget av dess komponentmolekyler."

Till allas förvåning, experimenten visade att medan de platta kornen av pentacen som utgör den tunna organiska filmen ofta verkar homogena över stora områden, dessa områden avbryts av inneslutningar där pentacenmolekylerna är ordnade i ett annat mönster eller kristallin fas. "I dessa områden, pentacenmolekylerna lutar starkare än de i närliggande regioner. Vi misstänker att dessa inneslutningar hämmar laddningsbärartransport i det organiska lagret, snarare som stenar i en flod stör vattenflödet, säger Christian Westermeier, första författare på studien.

Skillnader i kristallstruktur på extremt korta skalor är inte bara relevanta för driften av elektroniska komponenter med hög ledningsförmåga, såsom transistorelementet som undersöks i denna nya studie. De spelar också en avgörande roll i organiska solceller, som är uppbyggda av flera sådana molekylära lager. "Ända tills nu, det har varit mycket svårt att komma åt dessa strukturer experimentellt. Så vår metod kan ge ett värdefullt bidrag till vår förståelse av dessa skiktade system och till organisk elektronik i allmänhet, avslutar Nickel.