I semiconduttori organici sono apprezzati per i diodi emettitori di luce (LED), transistor ad effetto di campo (FET) e celle fotovoltaiche. Poiché possono essere stampati dalla soluzione, forniscono un altamente scalabile, alternativa economica ai dispositivi a base di silicio. prestazioni irregolari, però, sono stati un problema persistente. Gli scienziati sanno che i problemi di prestazioni hanno origine nelle interfacce di dominio all'interno di film sottili di semiconduttori organici, ma non ne conoscevo la causa. Questo mistero ora sembra essere stato risolto.

Noemi Ginsberg, un chimico di facoltà con il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e l'Università della California (UC) Berkeley, ha guidato un team che ha utilizzato una forma unica di microscopia per studiare le interfacce di dominio all'interno di un semiconduttore organico elaborato in soluzione particolarmente performante chiamato TIPS-pentacene. Lei e il suo team hanno scoperto un'accozzaglia disordinata di nanocristalli orientati casualmente che rimangono intrappolati cineticamente nelle interfacce durante la colata della soluzione. Come detriti su un'autostrada, questi nanocristalli impediscono il flusso dei portatori di carica.

"Se le interfacce fossero ordinate e pulite, non avrebbero un impatto così grande sulle prestazioni, ma la presenza dei nanocristalli riduce la mobilità dei portatori di carica, " dice Ginsberg. "Il nostro modello di nanocristalli per l'interfaccia, che è coerente con le osservazioni, fornisce informazioni critiche che possono essere utilizzate per correlare i metodi di elaborazione della soluzione alle prestazioni ottimali del dispositivo."

Ginsberg, che ricopre incarichi con la divisione di bioscienze fisiche del Berkeley Lab e la sua divisione di scienze dei materiali, così come i dipartimenti di chimica e fisica dell'UC Berkeley, è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca in Comunicazioni sulla natura . Il documento è intitolato "La dinamica degli eccitoni rivela aggregati con ordine intermolecolare in corrispondenza di interfacce nascoste in film semiconduttori organici colati in soluzione". I coautori sono Cathy Wong, Benjamin Cotts e Hao Wu.

I semiconduttori organici si basano sulla capacità del carbonio di formare molecole più grandi, come benzene e pentacene, caratterizzato da conduttività elettrica che cade da qualche parte tra isolanti e metalli. Attraverso l'elaborazione della soluzione, i materiali organici di solito possono essere modellati in pellicole cristalline senza il costoso processo di ricottura ad alta temperatura richiesto per il silicio e altri semiconduttori inorganici. Però, anche se è stato a lungo chiaro che le interfacce del dominio cristallino all'interno dei film sottili organici dei semiconduttori sono fondamentali per le loro prestazioni nei dispositivi, Finora mancavano informazioni dettagliate sulla morfologia di queste interfacce.

"I domini di interfaccia nei film sottili di semiconduttori organici sono inferiori al limite di diffrazione, nascosto dalle tecniche di sonda di superficie come la microscopia a forza atomica, e la loro eterogeneità su scala nanometrica non viene tipicamente risolta utilizzando metodi a raggi X, " dice Ginsberg. "Inoltre, il TIPS-pentacene cristallino che abbiamo studiato ha praticamente zero emissioni, il che significa che non può essere studiato con la microscopia a fotoluminescenza".

Ginsberg e il suo gruppo hanno superato le sfide utilizzando la microscopia ad assorbimento transitorio (TA), una tecnica in cui gli impulsi laser a femtosecondi eccitano stati energetici transitori e i rivelatori misurano i cambiamenti negli spettri di assorbimento. I ricercatori di Berkeley hanno eseguito la microscopia TA su un microscopio ottico costruito da loro stessi che ha permesso loro di generare volumi focali mille volte più piccoli di quelli tipici dei microscopi TA convenzionali. Hanno anche implementato diverse polarizzazioni della luce che hanno permesso loro di isolare i segnali di interfaccia non visti in nessuno dei domini adiacenti.

"Strumentazione, compresi ottimi rilevatori, la scrupolosa raccolta di dati per garantire buoni rapporti segnale-rumore, e il modo in cui abbiamo realizzato l'esperimento e l'analisi sono stati tutti fondamentali per il nostro successo, " dice Ginsberg. "La nostra risoluzione spaziale e la sensibilità alla polarizzazione della luce erano essenziali anche per essere in grado di vedere inequivocabilmente una firma dell'interfaccia che non fosse sommersa dalla massa, che contribuisce molto di più al segnale grezzo in volume."

La metodologia sviluppata da Ginsberg e dal suo team per scoprire i motivi strutturali delle interfacce nascoste nei film sottili di semiconduttori organici dovrebbe aggiungere un fattore predittivo all'elaborazione scalabile e conveniente di questi materiali. Questa capacità predittiva dovrebbe aiutare a ridurre al minimo le discontinuità e massimizzare la mobilità dei portatori di carica. Attualmente, i ricercatori utilizzano essenzialmente un approccio per tentativi ed errori, in cui vengono testate diverse condizioni di colata della soluzione per vedere come funzionano i dispositivi risultanti.

"La nostra metodologia fornisce un importante intermediario nel ciclo di feedback dell'ottimizzazione del dispositivo, caratterizzando i dettagli microscopici dei film che entrano nei dispositivi, e deducendo come il casting della soluzione avrebbe potuto creare le strutture alle interfacce, " dice Ginsberg. "Di conseguenza, possiamo suggerire come alterare il delicato equilibrio dei parametri di colata in soluzione per realizzare film più funzionali."