Utilizzando un metodo di imaging di nuova concezione, I ricercatori della LMU mostrano che i semiconduttori organici a film sottile contengono regioni di disordine strutturale che potrebbero inibire il trasporto di carica e limitare l'efficienza dei dispositivi elettronici organici.

I semiconduttori a base di polimeri organici o piccole molecole presentano numerosi vantaggi rispetto ai loro convenzionali, cugini per lo più a base di silicio. Sono più semplici ed economici da produrre, e può essere prodotto sotto forma di sottili, strati flessibili, che consente loro di essere attaccati a diversi substrati e superfici. Questa versatilità significa che i semiconduttori organici sono di grande interesse per un'ampia gamma di applicazioni, inclusi dispositivi optoelettronici come diodi emettitori di luce e celle solari. La loro conducibilità elettrica ed efficienza energetica sono funzione delle proprietà dei materiali di cui sono composti. Questo è il motivo per cui i ricercatori LMU guidati dal Dr. Bert Nickel, che è anche membro della Nanosystems Initiative Munich (NIM), un Cluster di Eccellenza, hanno studiato come il grado di ordine molecolare all'interno di film sottili organici influenzi la mobilità e il trasporto dei portatori di carica al loro interno.

Nei componenti a semiconduttore, la mobilità delle particelle portatrici di carica - elettroni e le loro controparti caricate positivamente, noto come fori - dovrebbe essere il più alto possibile. "Ci sono state segnalazioni contrastanti riguardanti l'effetto della granularità e della cristallinità del film sottile semiconduttore organico sulla separazione e il trasporto dei portatori di carica all'interno, " dice Nickel. Lui e i suoi colleghi hanno ora esaminato più da vicino la struttura molecolare di un film sottile di pentacene, un prototipo di semiconduttore organico.

Mettere a fuoco la struttura

"Studi su nanoscala come questo sono molto impegnativi", dice il fisico LMU Dr. Fritz Keilmann, un pioniere nel campo della microscopia in campo vicino. "Abbiamo avuto successo perché abbiamo sviluppato un sistema basato su laser, metodo di imaging ad alta risoluzione presso Neaspec GmbH, uno spin-off del Center for NanoScience presso LMU. Illuminiamo la punta estremamente sottile di un microscopio a forza atomica con un raggio laser infrarosso focalizzato. La punta funge da nano-antenna e converte la radiazione incidente in un'intensa sorgente di luce in campo vicino con un diametro di circa 20 nanometri. Ciò è sufficiente per fornire un'analisi ad alta precisione della struttura del film semiconduttore, che rivela la disposizione spaziale delle sue molecole componenti".

Con sorpresa di tutti, gli esperimenti hanno mostrato che, mentre i grani piatti di pentacene che compongono il sottile film organico appaiono spesso omogenei su vaste regioni, queste aree sono interrotte da inclusioni in cui le molecole di pentacene sono ordinate secondo un diverso schema o fase cristallina. "In queste zone, le molecole di pentacene sono più fortemente inclinate rispetto a quelle delle regioni vicine. Sospettiamo che queste inclusioni inibiscano il trasporto dei portatori di carica nello strato organico, un po' come le rocce in un fiume perturbano il flusso dell'acqua, "dice Christian Westermeier, primo autore dello studio.

Le differenze nella struttura cristallina su scale estremamente corte non sono rilevanti solo per il funzionamento di componenti elettronici ad alta conduttività come l'elemento transistor studiato in questo nuovo studio. Svolgono anche un ruolo cruciale nelle celle solari organiche, che sono costituiti da diversi di questi strati molecolari. "Fino ad ora, è stato molto difficile accedere sperimentalmente a queste strutture. Quindi il nostro metodo può dare un prezioso contributo alla nostra comprensione di questi sistemi a strati e dell'elettronica organica in generale, "Nichel conclude.