Las perspectivas futuras de nuevos dispositivos electrónicos orgánicos superiores son más brillantes ahora gracias a un nuevo estudio realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab). Trabajando en la Fundición Molecular del Laboratorio, un centro de nanociencia del DOE, El equipo ha proporcionado la primera determinación experimental de las vías por las que la carga eléctrica se transporta de molécula a molécula en una película delgada orgánica. Sus resultados también muestran cómo tales películas orgánicas pueden modificarse químicamente para mejorar la conductancia.

"Hemos demostrado que cuando las moléculas en películas delgadas orgánicas se alinean en direcciones particulares, hay mucha mejor conductancia, "dice Miquel Salmeron, una autoridad líder en imágenes de superficie a nanoescala que dirige la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y que dirigió este estudio. "Los químicos ya saben cómo fabricar películas delgadas orgánicas de manera que se pueda lograr tal alineación, lo que significa que deberían poder utilizar la información proporcionada por nuestra metodología para determinar el alineamiento molecular y su papel en el transporte de carga a través y a lo largo de las moléculas. Esto ayudará a mejorar el rendimiento de los futuros dispositivos electrónicos orgánicos ".

Salmeron y Shaul Aloni, también de la División de Ciencias de los Materiales, son los autores correspondientes de un artículo en la revista Nano letras que describe este trabajo. El artículo se titula "La microscopía electrónica revela la estructura y morfología de películas orgánicas delgadas de una molécula". Otros coautores fueron Virginia Altoe, Florent Martin y Allard Katan.

Electrónica orgánica, también conocida como electrónica de plástico o polímero, son dispositivos que utilizan moléculas a base de carbono como conductores en lugar de metales o semiconductores. Son apreciados por sus bajos costos, peso ligero y flexibilidad gomosa. También se espera que la electrónica orgánica desempeñe un papel importante en la computación molecular, pero hasta la fecha su uso se ha visto obstaculizado por la baja conductancia eléctrica en comparación con los metales y semiconductores.

"Los químicos e ingenieros han estado usando su intuición y pruebas de prueba y error para progresar en el campo, pero en algún momento te chocas con una pared a menos que comprendas lo que está sucediendo a nivel molecular, por ejemplo, cómo fluyen los electrones o los huecos a través de las moléculas, cómo el transporte de carga depende de la estructura de las capas orgánicas y la orientación de las moléculas, y cómo el transporte de carga responde a fuerzas mecánicas e insumos químicos, "Dice Salmeron." Con nuestros resultados experimentales, hemos demostrado que ahora podemos dar respuestas a estas preguntas ".

En este estudio, Salmeron y sus colegas utilizaron patrones de difracción de electrones para mapear las estructuras cristalinas de películas moleculares hechas de monocapas de versiones cortas de polímeros de uso común que contienen cadenas largas de unidades de tiofeno. Se centraron específicamente en el ácido pentatiofeno butírico (5TBA) y dos de sus derivados (D5TBA y DH5TBA) que fueron inducidos a autoensamblarse en varios sustratos transparentes a los electrones.

Los pentatiofenos, moléculas que contienen un anillo de cuatro átomos de carbono y uno de azufre, son miembros de una familia prometedora y bien estudiada de semiconductores orgánicos.

La obtención de mapas cristalográficos estructurales de películas orgánicas monocapa utilizando haces de electrones supuso un gran desafío, como explica Aloni.

"Estas moléculas orgánicas son extremadamente sensibles a los electrones de alta energía, ", dice." Cuando disparas un rayo de electrones de alta energía a través de la película, inmediatamente afecta a las moléculas. En pocos segundos ya no vemos la alineación intermolecular característica del patrón de difracción. A pesar de esto, cuando se aplica correctamente, La microscopía electrónica se convierte en una herramienta esencial que puede proporcionar información única sobre muestras orgánicas ".

Salmeron, Aloni y sus colegas superaron el desafío mediante la combinación de una estrategia única que desarrollaron y un microscopio electrónico de transmisión (TEM) en la instalación de procesamiento de imágenes y manipulación de nanoestructuras de Molecular Foundry. Los patrones de difracción de electrones se recogieron a medida que se escaneaba un haz de electrones paralelo sobre la película, luego analizados por computadora para generar mapas cristalográficos estructurales.

"Estos mapas contienen información completa del tamaño, simetría y orientación de la celda unitaria, la orientación y estructura de los dominios, el grado de cristalinidad, y cualquier variación en la escala micrométrica, "dice el primer autor Altoe." Estos datos son cruciales para comprender la estructura y las propiedades de transporte eléctrico de las películas orgánicas, y nos permiten rastrear pequeños cambios impulsados ​​por modificaciones químicas de las películas de soporte ".

En su papel los autores reconocen que para obtener información estructural tuvieron que sacrificar algo de resolución.

"La resolución alcanzable del mapa estructural es un compromiso entre la dureza de la radiación de la muestra, sensibilidad y ruido del detector, y tasa de adquisición de datos, " Salmeron says. "To keep the dose of high energy electrons at a level the monolayer film could support and still be able to collect valuable information about its structure, we had to spread the beam to a 90 nanometer diameter. However a fast and direct control of the beam position combined with the use of fast and ultrasensitive detectors should allow for the use of smaller beams with a higher electron flux, resulting in a better than 10 nanometer resolution."

While the combination of organic molecular films and substrates in this study conduct electrical current via electron holes (positively-charged energy spaces), Salmeron and his colleagues say their structural mapping can also be applied to materials whose conductance is electron-based.

"We expect our methodology to have widespread applications in materials research, " Salmeron says.