Le prospettive future per nuovi dispositivi elettronici organici superiori sono ora più brillanti grazie a un nuovo studio condotto da ricercatori con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE. Lavorando presso la Fonderia Molecolare del Laboratorio, un centro di nanoscienza DOE, il team ha fornito la prima determinazione sperimentale dei percorsi attraverso i quali la carica elettrica viene trasportata da molecola a molecola in un film sottile organico. I loro risultati mostrano anche come tali film organici possono essere modificati chimicamente per migliorare la conduttanza.

"Abbiamo dimostrato che quando le molecole nei film sottili organici sono allineate in particolari direzioni, c'è una conduttanza molto migliore, "dice Miquel Salmeron, un'autorità leader nell'imaging di superfici su scala nanometrica che dirige la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e che ha condotto questo studio. "I chimici sanno già come fabbricare film sottili organici in modo da ottenere un tale allineamento, il che significa che dovrebbero essere in grado di utilizzare le informazioni fornite dalla nostra metodologia per determinare l'allineamento molecolare e il suo ruolo sul trasporto di carica attraverso e lungo le molecole. Ciò contribuirà a migliorare le prestazioni dei futuri dispositivi elettronici organici".

Salmeron e Shaul Aloni, anche della Divisione di Scienze dei Materiali, sono gli autori corrispondenti di un articolo sulla rivista Nano lettere che descrive questo lavoro. Il documento è intitolato "La microscopia elettronica rivela la struttura e la morfologia di film organici sottili di una molecola". Altri coautori erano Virginia Altoe, Florent Martin e Allard Katan.

Elettronica organica, nota anche come elettronica plastica o polimerica, sono dispositivi che utilizzano molecole a base di carbonio come conduttori piuttosto che metalli o semiconduttori. Sono apprezzati per i loro bassi costi, leggerezza e flessibilità gommosa. Anche l'elettronica organica dovrebbe svolgere un ruolo importante nel calcolo molecolare, ma ad oggi il loro utilizzo è stato ostacolato dalla bassa conduttanza elettrica rispetto ai metalli e ai semiconduttori.

"I chimici e gli ingegneri hanno usato la loro intuizione e i test per tentativi ed errori per fare progressi sul campo, ma a un certo punto ti imbatti in un muro a meno che tu non capisca cosa sta succedendo a livello molecolare, Per esempio, come gli elettroni o le lacune fluiscono attraverso o attraverso le molecole, come il trasporto di carica dipende dalla struttura degli strati organici e dall'orientamento delle molecole, e come il trasporto di carica risponde alle forze meccaniche e agli input chimici, " dice Salmeron. "Con i nostri risultati sperimentali, abbiamo dimostrato che ora possiamo fornire risposte a queste domande".

In questo studio, Salmeron e i suoi colleghi hanno utilizzato modelli di diffrazione elettronica per mappare le strutture cristalline di film molecolari realizzati da monostrati di versioni corte di polimeri comunemente usati contenenti lunghe catene di unità tiofene. Si sono concentrati in particolare sull'acido pentatiofene butirrico (5TBA) e su due dei suoi derivati ​​(D5TBA e DH5TBA) che sono stati indotti ad autoassemblarsi su vari substrati trasparenti agli elettroni.

I pentatiofeni - molecole contenenti un anello di quattro atomi di carbonio e uno di zolfo - sono membri di una famiglia ben studiata e promettente di semiconduttori organici.

Ottenere mappe cristallografiche strutturali di film organici monostrato utilizzando fasci di elettroni ha rappresentato una sfida importante, come spiega Aloni.

"Queste molecole organiche sono estremamente sensibili agli elettroni ad alta energia, " dice. "Quando si spara un fascio di elettroni ad alta energia attraverso la pellicola, questo colpisce immediatamente le molecole. In pochi secondi non vediamo più l'allineamento intermolecolare caratteristico del pattern di diffrazione. Nonostante questo, se applicato correttamente, la microscopia elettronica diventa uno strumento essenziale in grado di fornire informazioni uniche su campioni organici".

Salmerón, Aloni e i suoi colleghi hanno superato la sfida combinando una strategia unica che hanno sviluppato e un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) presso l'Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility della Molecular Foundry. I modelli di diffrazione elettronica sono stati raccolti mentre un fascio di elettroni parallelo è stato scansionato sulla pellicola, poi analizzato al computer per generare mappe cristallografiche strutturali.

"Queste mappe contengono informazioni senza compromessi sulla dimensione, simmetria e orientamento della cella elementare, l'orientamento e la struttura dei domini, il grado di cristallinità, ed eventuali variazioni sulla scala micrometrica, " dice il primo autore Altoe. "Questi dati sono cruciali per comprendere la struttura e le proprietà di trasporto elettrico dei film organici, e ci consentono di tenere traccia di piccoli cambiamenti guidati da modifiche chimiche dei film di supporto".

Nella loro carta, gli autori riconoscono che per ottenere informazioni strutturali hanno dovuto sacrificare qualche risoluzione.

"La risoluzione ottenibile della mappa strutturale è un compromesso tra durezza della radiazione del campione, sensibilità e rumore del rivelatore, e velocità di acquisizione dati, " Salmeron says. "To keep the dose of high energy electrons at a level the monolayer film could support and still be able to collect valuable information about its structure, 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.