Los semiconductores orgánicos son apreciados por los diodos emisores de luz (LED), transistores de efecto de campo (FET) y células fotovoltaicas. Como se pueden imprimir desde la solución, proporcionan un alternativa rentable a los dispositivos basados ​​en silicio. Rendimientos desiguales, sin embargo, ha sido un problema persistente. Los científicos han sabido que los problemas de rendimiento se originan en las interfaces de dominio dentro de las películas delgadas de semiconductores orgánicos, pero no he conocido la causa. Este misterio parece ahora resuelto.

Naomi Ginsberg, un químico de la facultad del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad de California (UC) Berkeley, dirigió un equipo que utilizó una forma única de microscopía para estudiar las interfaces de dominio dentro de un semiconductor orgánico procesado en solución especialmente de alto rendimiento llamado TIPS-pentaceno. Ella y su equipo descubrieron un revoltijo desordenado de nanocristalitos orientados al azar que quedan atrapados cinéticamente en las interfaces durante la fundición de la solución. Como escombros en una carretera estos nanocristalitos impiden el flujo de portadores de carga.

"Si las interfaces fueran ordenadas y limpias, no tendrían un impacto tan grande en el rendimiento, pero la presencia de nanocristalitos reduce la movilidad del portador de carga, "Dice Ginsberg." Nuestro modelo de nanocristalitos para la interfaz, que es consistente con las observaciones, proporciona información crítica que se puede utilizar para correlacionar los métodos de procesamiento de soluciones con el rendimiento óptimo del dispositivo ".

Ginsberg, quien tiene nombramientos en la División de Biociencias Físicas de Berkeley Lab y su División de Ciencias de los Materiales, así como los departamentos de química y física de UC Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en Comunicaciones de la naturaleza . El artículo se titula "La dinámica de Exciton revela agregados con orden intermolecular en interfaces ocultas en películas semiconductoras orgánicas moldeadas en solución". Los coautores son Cathy Wong, Benjamin Cotts y Hao Wu.

Los semiconductores orgánicos se basan en la capacidad del carbono para formar moléculas más grandes, como el benceno y el pentaceno, con conductividad eléctrica que se encuentra en algún lugar entre los aisladores y los metales. A través del procesamiento de soluciones, Los materiales orgánicos normalmente se pueden moldear en películas cristalinas sin el costoso proceso de recocido a alta temperatura requerido para el silicio y otros semiconductores inorgánicos. Sin embargo, A pesar de que ha estado claro desde hace mucho tiempo que las interfaces de dominio cristalino dentro de las películas delgadas orgánicas semiconductoras son críticas para su rendimiento en los dispositivos, Hasta ahora faltaba información detallada sobre la morfología de estas interfaces.

"Los dominios de interfaz en películas delgadas de semiconductores orgánicos son más pequeños que el límite de difracción, ocultos de las técnicas de sonda de superficie como la microscopía de fuerza atómica, y su heterogeneidad a nanoescala no se resuelve normalmente mediante métodos de rayos X, "Dice Ginsberg". Además, el TIPS-pentaceno cristalino que estudiamos tiene prácticamente cero emisiones, lo que significa que no se puede estudiar con microscopía de fotoluminiscencia ".

Ginsberg y su grupo superaron los desafíos mediante el uso de microscopía de absorción transitoria (TA), una técnica en la que los pulsos de láser de femtosegundos excitan estados de energía transitorios y los detectores miden los cambios en los espectros de absorción. Los investigadores de Berkeley realizaron microscopía TA en un microscopio óptico que ellos mismos construyeron y que les permitió generar volúmenes focales mil veces más pequeños que los típicos de los microscopios TA convencionales. También desplegaron múltiples polarizaciones de luz diferentes que les permitieron aislar señales de interfaz que no se ven en ninguno de los dominios adyacentes.

"Instrumentación, incluyendo muy buenos detectores, la minuciosa recopilación de datos para garantizar una buena relación señal / ruido, y la forma en que elaboramos el experimento y el análisis fueron fundamentales para nuestro éxito, "Dice Ginsberg." Nuestra resolución espacial y la sensibilidad a la polarización de la luz también fueron esenciales para poder ver de manera inequívoca una firma de la interfaz que no fue inundada por el volumen, lo que contribuye mucho más a la señal sin procesar por volumen ".

La metodología desarrollada por Ginsberg y su equipo para descubrir motivos estructurales en interfaces ocultas en películas delgadas de semiconductores orgánicos debería agregar un factor predictivo al procesamiento de soluciones escalable y asequible de estos materiales. Esta capacidad predictiva debería ayudar a minimizar las discontinuidades y maximizar la movilidad del portador de carga. En la actualidad, los investigadores utilizan lo que es esencialmente un enfoque de prueba y error, en el que se prueban diferentes condiciones de moldeo en solución para ver qué tan bien funcionan los dispositivos resultantes.

"Nuestra metodología proporciona un intermediario importante en el ciclo de retroalimentación de la optimización del dispositivo al caracterizar los detalles microscópicos de las películas que entran en los dispositivos, y al inferir cómo el casting de la solución podría haber creado las estructuras en las interfaces, "Dice Ginsberg." Como resultado, podemos sugerir cómo alterar el delicado equilibrio de los parámetros de fundición en solución para hacer películas más funcionales ".