Esta foto muestra una matriz de semiconductores orgánicos monocristalinos de 1 mm de ancho por 2 cm de largo. Las franjas azules perfectamente alineadas son las que proporcionan una mayor movilidad de carga eléctrica. El logotipo de Stanford que se muestra aquí es del mismo tamaño que una moneda de diez centavos. Crédito:Y. Diao et al.
Los investigadores de SLAC y Stanford han desarrollado un nuevo proceso de impresión para electrónica orgánica de película delgada que da como resultado películas de una calidad sorprendentemente superior.
A través de innovaciones en un proceso de impresión, Los investigadores han realizado importantes mejoras en la electrónica orgánica, una tecnología en demanda de peso ligero, células solares de bajo coste, pantallas electrónicas flexibles y sensores diminutos. El método de impresión es rápido y funciona con una variedad de materiales orgánicos para producir semiconductores de una calidad sorprendentemente superior a la que se ha logrado hasta ahora con métodos similares.
La electrónica orgánica tiene una gran promesa para una variedad de aplicaciones, pero incluso las películas de la más alta calidad disponibles en la actualidad se quedan cortas en cuanto a su capacidad para conducir la corriente eléctrica. El equipo del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Stanford han desarrollado un proceso de impresión que llaman FLUENCE (ingeniería de cristal mejorada por fluidos) que para algunos materiales da como resultado películas delgadas capaces de conducir electricidad 10 veces más eficientemente que los creados con métodos convencionales.
"Aun mejor, la mayoría de los conceptos detrás de FLUENCE se pueden escalar para cumplir con los requisitos de la industria, "dijo Ying Diao, un investigador postdoctoral de SLAC / Stanford y autor principal del estudio, que apareció hoy en Materiales de la naturaleza .
Stefan Mannsfeld, un físico de materiales de SLAC y uno de los principales investigadores del experimento, dijo que la clave era centrarse en la física del proceso de impresión en lugar de la composición química del semiconductor. Diao diseñó el proceso para producir tiras de grandes Cristales perfectamente alineados por los que la carga eléctrica puede fluir fácilmente, mientras se preservan los beneficios de la estructura de "celosía deformada" y la técnica de impresión de "cizallamiento de la solución" desarrollada previamente en el laboratorio del co-investigador principal de Mannsfeld, El profesor Zhenan Bao del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía, un instituto conjunto SLAC-Stanford.
Esta micrografía electrónica de barrido muestra los micropilares incrustados en la cuchilla de corte utilizada en el proceso de impresión. Los pilares miden 35 micrómetros por 42 micrómetros, menos de la mitad del ancho de un cabello humano promedio en ambas direcciones, y mezclan la solución de semiconductores orgánicos. asegurándose de que esté depositado uniformemente. Crédito:Crédito:Y. Diao et al.
Para hacer el avance Diao se centró en controlar el flujo del líquido en el que se disuelve la materia orgánica. "Es una pieza vital del rompecabezas, ", dijo. Si el flujo de tinta no se distribuye uniformemente, como suele ser el caso durante la impresión rápida, los cristales semiconductores estarán plagados de defectos. "Pero en este campo se han realizado pocas investigaciones sobre el control del flujo de fluidos".
Diao diseñó una hoja de impresión con pequeños pilares incrustados que mezclan la tinta para formar una película uniforme. También diseñó una forma de solucionar otro problema:la tendencia de los cristales a formarse aleatoriamente a través del sustrato. Una serie de patrones químicos ingeniosamente diseñados en el sustrato suprime la formación de cristales rebeldes que de otro modo crecerían fuera de alineación con la dirección de impresión. El resultado es una película de gran tamaño cristales bien alineados.
Los estudios de rayos X de los semiconductores orgánicos del grupo en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) les permitieron inspeccionar su progreso y continuar realizando mejoras. eventualmente mostrando cristales cuidadosamente dispuestos al menos 10 veces más largos que los cristales creados con otras técnicas basadas en soluciones, y de una perfección estructural mucho mayor.
El grupo también repitió el experimento utilizando un segundo material semiconductor orgánico con una estructura molecular significativamente diferente, y nuevamente vieron una mejora notable en la calidad de la película. Creen que esta es una señal de que las técnicas funcionarán en una variedad de materiales.
Esta imagen muestra una micrografía óptica con polarización cruzada que compara una muestra de una película orgánica semiconductora creada sin micropilares (arriba) y con micropilares (abajo) a escalas de un milímetro y 50 micrómetros. Tenga en cuenta la uniformidad de los cristales en la imagen inferior en comparación con la imagen superior. Crédito:Crédito:Y. Diao et al.
Los investigadores principales Bao y Mannsfeld dicen que el siguiente paso para el grupo es determinar la relación subyacente entre el material y el proceso que permitió un resultado tan estelar. Tal descubrimiento podría proporcionar un grado de control sin precedentes sobre las propiedades electrónicas de las películas impresas, optimizándolos para los dispositivos que los utilizarán.
"Eso podría conducir a un avance revolucionario en la electrónica orgánica, ", Dijo Bao." Hemos hecho un excelente progreso, pero creo que solo estamos rascando la superficie ".
