Questa foto mostra una serie di semiconduttori organici monocristallini larghi 1 mm e lunghi 2 cm. Le strisce blu ben allineate sono ciò che fornisce una maggiore mobilità della carica elettrica. Il logo Stanford mostrato qui ha le stesse dimensioni di un centesimo. Credito:Y. Diao et al.
I ricercatori SLAC e Stanford hanno sviluppato un nuovo, processo di stampa per l'elettronica organica a film sottile che si traduce in film di qualità sorprendentemente superiore.
Attraverso innovazioni a un processo di stampa, i ricercatori hanno apportato importanti miglioramenti all'elettronica organica, una tecnologia richiesta per leggerezza, celle solari a basso costo, display elettronici flessibili e minuscoli sensori. Il metodo di stampa è veloce e funziona con una varietà di materiali organici per produrre semiconduttori di qualità sorprendentemente superiore rispetto a quanto è stato finora ottenuto con metodi simili.
L'elettronica organica ha grandi promesse per una varietà di applicazioni, ma anche i film di migliore qualità oggi disponibili non sono all'altezza della loro capacità di condurre la corrente elettrica. Il team del National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Stanford University ha sviluppato un processo di stampa chiamato FLUENCE - ingegneria del cristallo potenziata con fluidi - che per alcuni materiali si traduce in film sottili in grado di condurre elettricità 10 volte più efficientemente rispetto a quelli creati con metodi convenzionali.
"Anche meglio, la maggior parte dei concetti alla base di FLUENCE può essere scalata per soddisfare i requisiti del settore, " disse Ying Diao, un ricercatore postdottorato SLAC/Stanford e autore principale dello studio, che è apparso oggi in Materiali della natura .
Stefan Mannsfeld, un fisico dei materiali SLAC e uno dei principali ricercatori dell'esperimento, ha detto che la chiave era concentrarsi sulla fisica del processo di stampa piuttosto che sulla composizione chimica del semiconduttore. Diao ha progettato il processo per produrre strisce di grandi, cristalli ben allineati che la carica elettrica può attraversare facilmente, preservando i vantaggi della struttura a "reticolo teso" e della tecnica di stampa "solution shearing" precedentemente sviluppata nel laboratorio del co-investigatore principale di Mannsfeld, Professor Zhenan Bao dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, un istituto congiunto SLAC-Stanford.
Questa micrografia elettronica a scansione mostra i micropilastri incorporati nella lama di taglio utilizzata nel processo di stampa. I pilastri sono 35 micrometri per 42 micrometri - meno della metà della larghezza di un capello umano medio in entrambe le direzioni - e mescolano la soluzione di semiconduttori organici, assicurandosi che sia depositato uniformemente. Credito:Credito:Y. Diao et al.
Per fare l'anticipo, Diao si è concentrato sul controllo del flusso del liquido in cui è disciolto il materiale organico. "È un pezzo fondamentale del puzzle, " ha detto. Se il flusso di inchiostro non si distribuisce uniformemente, come spesso accade durante la stampa veloce, i cristalli semiconduttori saranno pieni di difetti. "Ma in questo campo sono state fatte poche ricerche sul controllo del flusso dei fluidi".
Diao ha progettato una lama di stampa con minuscoli pilastri incorporati che mescolano l'inchiostro in modo da formare una pellicola uniforme. Ha anche progettato un modo per aggirare un altro problema:la tendenza dei cristalli a formarsi casualmente sul substrato. Una serie di schemi chimici abilmente progettati sul substrato sopprime la formazione di cristalli ribelli che altrimenti crescerebbero fuori allineamento con la direzione di stampa. Il risultato è un film di grandi dimensioni, cristalli ben allineati.
Gli studi a raggi X dei semiconduttori organici del gruppo presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) hanno permesso loro di ispezionare i loro progressi e continuare a fare miglioramenti, alla fine mostra cristalli ordinatamente disposti almeno 10 volte più lunghi dei cristalli creati con altre tecniche basate su soluzioni, e di ben maggiore perfezione strutturale.
Il gruppo ha anche ripetuto l'esperimento utilizzando un secondo materiale semiconduttore organico con una struttura molecolare significativamente diversa, e ancora una volta hanno visto un notevole miglioramento nella qualità del film. Credono che questo sia un segno che le tecniche funzioneranno su una varietà di materiali.
Questa immagine mostra una micrografia ottica a polarizzazione incrociata che confronta un campione di un film semiconduttore organico creato senza micropilastri (in alto) e con micropilastri (in basso) su scale di un millimetro e 50 micrometri. Notare l'uniformità dei cristalli nell'immagine in basso rispetto all'immagine in alto. Credito:Credito:Y. Diao et al.
Gli investigatori principali Bao e Mannsfeld affermano che il prossimo passo per il gruppo è definire la relazione sottostante tra il materiale e il processo che ha permesso un risultato così stellare. Una tale scoperta potrebbe fornire un grado di controllo senza precedenti sulle proprietà elettroniche delle pellicole stampate, ottimizzandoli per i dispositivi che li utilizzeranno.
"Ciò potrebbe portare a un progresso rivoluzionario nell'elettronica organica, " Bao ha detto. "Abbiamo fatto ottimi progressi, ma penso che stiamo solo grattando la superficie".
