Un team di ricercatori dalla Russia, Germania, e Francia, con scienziati dei materiali dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, ha studiato come le proprietà elettriche dei film sottili di diesil-quartiofene dipendono dalla loro struttura. Questo materiale è un semiconduttore organico con prospettive per l'elettronica flessibile.

Una volta che i film sottili subiscono una transizione dallo stato di cristallo allo stato di cristallo liquido, perdono parte della loro conduttività elettrica. Il team ha anche scoperto una "terza fase" che non si verifica nel materiale sfuso e corrisponde a uno strato monomolecolare del semiconduttore. Questa struttura potrebbe essere favorevole per il trasporto di carica attraverso i film, con potenziali implicazioni per la progettazione della microelettronica. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Lettere di ricerca su nanoscala .

Gli oligotiofeni sono semiconduttori organici promettenti. Le loro molecole a forma di bastoncino possono orientarsi sulla superficie su cui sono state depositate, accumulando cicli di idrocarburi contenenti un atomo di zolfo noto come tiofeni, come pile di monete. I "bordi moneta" nelle pile vicine formano un motivo a spina di pesce. Questa disposizione molecolare consente il trasferimento di carica da una molecola all'altra.

All'aumentare del numero di tiofeni nella molecola, così fa la conduttività elettrica, a scapito della solubilità del composto. Il numero ottimale di queste cosiddette porzioni tiofene è quattro. Per aumentare la solubilità, frammenti esile vengono innestati alle estremità del frammento molecolare coniugato (fig. 1).

I ricercatori hanno sciolto ed evaporato il diesil-quartitofene (DH4T) in un reattore sotto vuoto e hanno depositato il materiale sotto forma di film sottili su un substrato di silicio. Hanno continuato a studiare la struttura cristallina dei campioni utilizzando la diffrazione dei raggi X a incidenza radente. Questa tecnica prevede l'esposizione di una pellicola ai raggi X con un angolo di occhiata molto piccolo per massimizzare la distanza percorsa dal raggio di raggi X nella pellicola, oggetto di numerose riflessioni. Altrimenti, il segnale del film sottile sarebbe troppo debole per essere distinguibile dal segnale del substrato. Le misurazioni della diffrazione hanno permesso al team di identificare la disposizione molecolare nel materiale depositato sul substrato.

Inizialmente, DH4T era altamente cristallino. Le sue molecole formavano una struttura a spina di pesce ed erano posizionate quasi perpendicolarmente al substrato. Però, una volta riscaldato a 85 gradi Celsius, il materiale ha subito una transizione di fase:la disposizione molecolare è cambiata, formando una fase a cristalli liquidi, e la conduttività elettrica dei film è diminuita.

Il campione è stato ulteriormente riscaldato a 130°C e successivamente raffreddato a temperatura ambiente. Ciò ha in parte ripristinato la cristallinità del materiale, e quindi conducibilità.

Nel corso del riscaldamento, una terza struttura è emersa nel profilo di diffrazione dei raggi X, indicato da deboli massimi di diffrazione non corrispondenti alla fase a cristalli liquidi. La ricerca precedente ha correlato tali massimi con monostrati di composti come DH4T. interessante, questa "terza fase" è stata osservata anche a 70 C.

La struttura del monostrato scoperta dal team è favorevole al trasporto di carica lungo il piano del film, rendendolo significativo per le applicazioni elettroniche flessibili. A parte quello, la fase appena osservata potrebbe verificarsi anche nei film sottili di altri composti la cui struttura è simile a quella di DH4T. Tali materiali sono utilizzati nella microelettronica. Poiché la carica viene trasferita prevalentemente in uno strato molto sottile vicino al substrato, i risultati dei ricercatori indicano la necessità di considerare come la nanostruttura del materiale influenzi la sua conduttività.

Il professor Dimitri Ivanov dirige il Laboratorio di materiali funzionali organici e ibridi al MIPT ed è anche direttore della ricerca presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS). È stato coautore dello studio riportato in questa storia e ha commentato i suoi risultati:"Utilizzando metodi in situ, come l'analisi strutturale, e allo stesso tempo misurare le proprietà elettriche del campione ci consente di ottenere informazioni sulla natura delle complesse transizioni di fase nel materiale e valutarne il potenziale per applicazioni pratiche nell'elettronica organica".