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  • Rayos X, Las simulaciones por computadora revelan el crecimiento de cristales.

    Izquierda:Evolución de la estructura de equilibrio de los semiconductores orgánicos (arriba) a la estructura tensa (abajo) a la luz de los rayos X de CHESS. Derecha:las simulaciones moleculares de los investigadores de Cornell muestran que incluso una sola molécula de disolvente (esfera) puede distorsionar significativamente la configuración molecular de las moléculas semiconductoras orgánicas circundantes (verde). Crédito:Gaurav Giri y Kristina Lenn

    (Phys.org) —Dando un paso hacia la electrónica flexible tan codiciada, un equipo de investigación internacional que descubrió cómo recubrir un material orgánico como una película delgada, como untar mantequilla sobre una tostada, quería ver más de cerca por qué su semiconductor orgánico untable crecía como lo hizo.

    Ingresan los científicos de Cornell y la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de Cornell (CHESS), donde un muy pequeño, Un haz de rayos X extremadamente brillante iluminó el camino para películas de alta velocidad que mostraban cómo estas moléculas orgánicas formaban redes cristalinas a nanoescala. Comprender y ajustar este proceso es clave para hacer avanzar la tecnología desde el laboratorio exclusivo hasta la producción en masa.

    La visualización del proceso de cristalización se detalla en un 16 de abril Comunicaciones de la naturaleza publicación en línea e involucra a científicos de la Universidad de Stanford, Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, y Cornell. El equipo de Cornell incluía al científico del personal de CHESS, Detlef Smilgies, quién dirigió los experimentos sobre la línea de rayos X D1 en CHESS; y Paulette Clancy, profesor de ingeniería química y biomolecular, quien proporcionó la columna vertebral teórica clave para respaldar los hallazgos experimentales.

    Los ingenieros de Stanford habían descrito previamente un método llamado cizallamiento de solución que aplica una capa delgada de solvente semiconductor orgánico a una superficie plana. que cristaliza en milisegundos. Inventaron un dispositivo similar a un cuchillo de mantequilla que esparce el material.

    Para capturar este proceso, Smilgies colaboró ​​con los científicos de Stanford y KAUST para diseñar un cuchillo de mantequilla en miniatura compatible con la instrumentación de rayos X CHESS. Enfocaron el haz de sincrotrón en un punto muy pequeño en el borde del cuchillo de mantequilla, disparándolo a intervalos de unas pocas decenas de milisegundos mientras el cuchillo arrastraba la solución del semiconductor orgánico a lo largo de una oblea de silicio.

    "La complejidad del proceso de cristalización real es alucinante, ", Dijo Smilgies." Hay una alta tasa de cizallamiento, rápida evaporación del solvente, y luego una nueva estructura cristalina a las velocidades de cizallamiento más altas, que produjo el mejor rendimiento del transistor.

    Smilgies le dio crédito al estudiante graduado de Stanford Gaurav Giri por reconocer que el confinamiento molecular (adelgazar o espesar el líquido) era el problema clave, y apoyó esta idea mediante el estudio de disolventes con una variedad de tamaños moleculares.

    La estudiante de posgrado de Clancy y Cornell, Kristina Lenn, abordó el problema de por qué ciertos solventes afectaban el resultado de la cristalización. Modelaron muchos disolventes diferentes y demostraron que el tamaño molecular afectaba principalmente a los tipos de cristales que se formaban. En otras palabras, proporcionaron las ideas teóricas que apoyaron la interpretación de los experimentos.

    "Fue una sorpresa ver que solo pequeños cambios en el tamaño de las moléculas de solvente eran suficientes para interrumpir la disposición de las moléculas semiconductoras orgánicas cercanas, ", Dijo Clancy." A medida que las partículas de disolvente aumentaron de tamaño, se podía ver visiblemente cómo las moléculas semiconductoras se doblaban y giraban para evitar la tensión ".

    El conocimiento detallado de cómo esparcir cristales tan delgados con un comportamiento consistentemente preciso proporciona un paso importante para convertir estos llamados semiconductores orgánicos tensos en productos útiles como pantallas flexibles, etiquetas inteligentes y sensores bioelectrónicos, dijeron los investigadores.


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