Organiska halvledare är prisade för lysdioder (LED), fälteffekttransistorer (FET) och fotovoltaiska celler. Eftersom de kan skrivas ut från lösning, de ger en mycket skalbar, kostnadseffektivt alternativ till silikonbaserade enheter. Ojämna prestationer, dock, har varit ett ihållande problem. Forskare har känt till att prestandaproblemen har sitt ursprung i domängränssnitten inom organiska halvledartunna filmer, men har inte känt till orsaken. Detta mysterium verkar nu ha lösts.

Naomi Ginsberg, en fakultetskemist vid U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California (UC) Berkeley, ledde ett team som använde en unik form av mikroskopi för att studera domängränssnitten inom en särskilt högpresterande lösningsbearbetad organisk halvledare som heter TIPS-pentacene. Hon och hennes team upptäckte ett rörigt virrvarr av slumpmässigt orienterade nanokristalliter som blir kinetiskt fångade i gränssnitten under lösningsgjutning. Som skräp på en motorväg, dessa nanokristalliter hindrar flödet av laddningsbärare.

"Om gränssnitten var snygga och rena, de skulle inte ha så stor inverkan på prestanda, men närvaron av nanokristalliterna minskar laddningsbärarens rörlighet, " säger Ginsberg. "Vår nanokristallitmodell för gränssnittet, som stämmer överens med observationer, tillhandahåller viktig information som kan användas för att koppla lösningsbearbetningsmetoder till optimal enhetsprestanda."

Ginsberg, som har möten med Berkeley Labs Physical Biosciences Division och dess Materials Sciences Division, samt UC Berkeleys avdelningar för kemi och fysik, är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i Naturkommunikation . Uppsatsen har titeln "Exciton dynamics avslöjar aggregat med intermolekylär ordning vid dolda gränssnitt i lösningsgjutna organiska halvledande filmer." Medförfattare är Cathy Wong, Benjamin Cotts och Hao Wu.

Organiska halvledare är baserade på kolets förmåga att bilda större molekyler, såsom bensen och pentacen, med elektrisk ledningsförmåga som hamnar någonstans mellan isolatorer och metaller. Genom lösningsbearbetning, organiska material kan vanligtvis formas till kristallina filmer utan den dyra högtemperaturglödgningsprocess som krävs för kisel och andra oorganiska halvledare. Dock, även om det länge har varit klart att de kristallina domängränssnitten i organiska halvledartunna filmer är avgörande för deras prestanda i enheter, detaljerad information om morfologin för dessa gränssnitt har saknats fram till nu.

"Gränssnittsdomäner i organiska halvledartunna filmer är mindre än diffraktionsgränsen, dold från ytsondstekniker som atomkraftsmikroskopi, och deras heterogenitet i nanoskala löses vanligtvis inte med röntgenmetoder, " säger Ginsberg. "Dessutom, den kristallina TIPS-pentacenen vi studerade har praktiskt taget noll emission, vilket betyder att det inte kan studeras med fotoluminescensmikroskopi."

Ginsberg och hennes grupp övervann utmaningarna genom att använda transient absorption (TA) mikroskopi, en teknik där femtosekundlaserpulser exciterar transienta energitillstånd och detektorer mäter förändringarna i absorptionsspektra. Berkeley-forskarna genomförde TA-mikroskopi på ett optiskt mikroskop de själva konstruerade som gjorde det möjligt för dem att generera fokalvolymer som är tusen gånger mindre än vad som är typiskt för konventionella TA-mikroskop. De distribuerade också flera olika ljuspolarisationer som gjorde det möjligt för dem att isolera gränssnittssignaler som inte sågs i någon av de intilliggande domänerna.

"Instrumentation, inklusive mycket bra detektorer, den noggranna insamlingen av data för att säkerställa bra signal-brus-förhållanden, och hur vi skapade experimentet och analysen var alla avgörande för vår framgång, " Ginsberg säger. "Vår rumsliga upplösning och ljuspolarisationskänslighet var också väsentliga för att otvetydigt kunna se en signatur av gränssnittet som inte översvämmades av huvuddelen, vilket bidrar mycket mer till den råa signalen i volym."

Den metod som utvecklats av Ginsberg och hennes team för att avslöja strukturella motiv vid dolda gränssnitt i organiska halvledartunna filmer bör lägga till en förutsägande faktor till skalbar och prisvärd lösningsbearbetning av dessa material. Denna prediktiva förmåga bör hjälpa till att minimera diskontinuiteter och maximera laddningsbärarens mobilitet. För närvarande, forskare använder vad som i huvudsak är en trial-and-error-metod, där olika lösningsgjutförhållanden testas för att se hur väl de resulterande enheterna presterar.

"Vår metodik ger en viktig mellanhand i återkopplingsslingan för enhetsoptimering genom att karakterisera de mikroskopiska detaljerna i filmerna som går in i enheterna, och genom att sluta sig till hur lösningsgjutningen kunde ha skapat strukturerna vid gränssnitten, " säger Ginsberg. "Som ett resultat, vi kan föreslå hur man ändrar den känsliga balansen mellan lösningsgjutningsparametrar för att göra mer funktionella filmer."