Usando un método de imágenes desarrollado recientemente, Los investigadores de LMU muestran que los semiconductores orgánicos de película delgada contienen regiones de desorden estructural que podrían inhibir el transporte de carga y limitar la eficiencia de los dispositivos electrónicos orgánicos.

Los semiconductores basados ​​en polímeros orgánicos o moléculas pequeñas tienen varias ventajas sobre sus convencionales, en su mayoría primos basados ​​en silicio. Son más simples y más baratos de fabricar, y se puede producir en forma de delgada, capas flexibles, lo que les permite ser adheridos a diversos sustratos y superficies. Esta versatilidad significa que los semiconductores orgánicos son de gran interés para una amplia gama de aplicaciones, incluidos dispositivos optoelectrónicos como diodos emisores de luz y células solares. Su conductividad eléctrica y eficiencia energética son función de las propiedades de los materiales de los que están hechos. Es por eso que los investigadores de LMU dirigidos por el Dr. Bert Nickel, quien también es miembro de la Nanosystems Initiative Munich (NIM), un clúster de excelencia, han estado investigando cómo el grado de orden molecular dentro de las películas delgadas orgánicas afecta la movilidad y el transporte de los portadores de carga dentro de ellas.

En componentes basados ​​en semiconductores, la movilidad de las partículas portadoras de carga:electrones y sus contrapartes cargadas positivamente, conocido como agujeros - debe ser lo más alto posible. "Ha habido informes contradictorios sobre el efecto de la granularidad y cristalinidad de la película delgada semiconductora orgánica en la separación y transporte de los portadores de carga en el interior, ", dice Nickel. Él y sus colegas ahora han examinado más de cerca la estructura molecular de una película delgada de pentaceno, un prototipo de semiconductor orgánico.

Enfocando la estructura

"Los estudios a nanoescala como este son muy desafiantes", dice el físico de LMU Dr. Fritz Keilmann, pionero en el campo de la microscopía de campo cercano. "Hemos tenido éxito porque hemos desarrollado un láser, método de imágenes de alta resolución en Neaspec GmbH, una escisión del Centro de Nanociencia en LMU. Iluminamos la punta extremadamente fina de un microscopio de fuerza atómica con un rayo láser infrarrojo enfocado. La punta actúa como una nano-antena y convierte la radiación incidente en una intensa fuente de luz de campo cercano con un diámetro de unos 20 nanómetros. Esto es suficiente para proporcionar un análisis de alta precisión de la estructura de la película semiconductora, que revela la disposición espacial de las moléculas que la componen ".

Para sorpresa de todos, los experimentos demostraron que, mientras que los granos planos de pentaceno que forman la delgada película orgánica a menudo parecen homogéneos en grandes regiones, estas áreas están interrumpidas por inclusiones en las que las moléculas de pentaceno están ordenadas en un patrón o fase cristalina diferente. "En estas áreas, las moléculas de pentaceno están más fuertemente inclinadas que las de las regiones vecinas. Sospechamos que estas inclusiones inhiben el transporte de portadores de carga en la capa orgánica, más bien como rocas en un río que perturban el flujo del agua, "dice Christian Westermeier, primer autor del estudio.

Las diferencias en la estructura cristalina en escalas extremadamente cortas no solo son relevantes para el funcionamiento de componentes electrónicos de alta conductividad, como el elemento transistor investigado en este nuevo estudio. También juegan un papel crucial en las células solares orgánicas, que se componen de varias de estas capas moleculares. "Hasta ahora, Ha sido muy difícil acceder a estas estructuras de forma experimental. Entonces, nuestro método puede hacer una contribución valiosa a nuestra comprensión de estos sistemas en capas y a la electrónica orgánica en general, "Nickel concluye.