據(jù)了解，有機(jī)半導(dǎo)體因發(fā)光二極管(LED)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)和光伏電池而獲獎(jiǎng)，由于它們可以通過(guò)溶液打印，它們提供了相對(duì)基于硅設(shè)備的高度可伸縮、成本效益較高的替代方案。然而，性能表現(xiàn)參差不齊有機(jī)半導(dǎo)體是一直存在的問(wèn)題?？茖W(xué)家們知道性能問(wèn)題源于有機(jī)半導(dǎo)體薄膜內(nèi)部的界面，但卻一直不清楚背后的原因，這一謎題直到近期才被解決。
混雜的隨機(jī)排列的納米微晶，后者在溶液澆鑄時(shí)會(huì)被動(dòng)力學(xué)圍困
美國(guó)能源部(DOE)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的娜奧美·金斯伯格(NaomiGinsberg)帶領(lǐng)了一支科研小組利用顯微鏡學(xué)的一種獨(dú)特形式研究了名為T(mén)IPS-pentacene的特殊高性能有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)部的界面。她和她的研究小組發(fā)現(xiàn)了混雜的隨機(jī)排列的納米微晶，后者在溶液澆鑄時(shí)會(huì)被動(dòng)力學(xué)圍困。就像高速公路上的殘骸一樣，這些納米微晶會(huì)阻礙電荷載流子的流動(dòng)。
“如果界面干凈整齊，它們將不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生巨大的影響，但納米微晶的存在減少了電荷載流子的移動(dòng)性，”金斯伯格說(shuō)道。“我們對(duì)這個(gè)界面建立的納米微晶模型——它與觀測(cè)結(jié)果相一致——提供了至關(guān)重要的信息，它或可以被用于將處理溶劑的方法與最優(yōu)的設(shè)備性能相聯(lián)系。”
勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理生物部門(mén)和材料科學(xué)部門(mén)、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)和物理學(xué)學(xué)院的金斯伯格是這篇發(fā)表在期刊《自然通信》上的文章的聯(lián)系作者。文章的其它合作作者還包括王凱西(Cathy Wong)、本杰明·科茨(Ben jamin Cotts)和吳昊(Hao Wu)。
有機(jī)半導(dǎo)體是基于碳的能力形成更大分子，例如苯環(huán)和并五苯，它們具有介于絕緣體和金屬之間的導(dǎo)電性。通過(guò)溶液處理，有機(jī)材料可以無(wú)需昂貴的高溫?zé)崽幚?mdash;—這些是硅和其它非有機(jī)半導(dǎo)體所必須經(jīng)過(guò)的過(guò)程——就被塑造成晶體薄膜。然而，即使眾所周知半導(dǎo)體有機(jī)薄膜里的晶體界面對(duì)于設(shè)備的性能表現(xiàn)至關(guān)重要，在這項(xiàng)研究之前有關(guān)這些界面的形態(tài)學(xué)信息仍是未知數(shù)。
“半導(dǎo)體薄膜界面比衍射極限還要小，表面探測(cè)技術(shù)，例如原子力顯微鏡都無(wú)法檢測(cè)到它，此外利用X射線方法一般無(wú)法解決它的納米異質(zhì)性。”金斯伯格解釋道。“此外我們研究的晶體TIPS-pentacene幾乎為0釋放，這意味著利用光致發(fā)光顯微鏡學(xué)也無(wú)法研究它。”
金斯伯格和她的研究小組通過(guò)借助瞬態(tài)吸收光譜(TA)顯微鏡學(xué)克服了這一難題，這一技術(shù)是指利用飛秒激光脈沖激活瞬態(tài)能量狀態(tài)，使得探測(cè)器可以測(cè)量吸收光譜的改變。研究小組在他們自己搭建的光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行了瞬態(tài)吸收光譜顯微鏡學(xué)，這使得他們可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)TA顯微鏡學(xué)還要小一千倍的聚焦體積。他們還部署了不同的光偏振使得它們可以隔離臨近區(qū)域無(wú)法觀測(cè)到的界面信號(hào)。
“儀器設(shè)備，包括非常好的探測(cè)器，結(jié)合孜孜不倦的數(shù)據(jù)收集保證了較好的信噪比，而我們改變實(shí)驗(yàn)和分析的方法對(duì)于獲得的成功至關(guān)重要。”金斯伯格解釋道。“我們的空間分辨率和光偏振敏感性對(duì)于明確觀測(cè)到界面信號(hào)也非常重要。”金斯伯格和她的研究小組提出的揭開(kāi)有機(jī)半導(dǎo)體薄膜隱藏界面里結(jié)構(gòu)圖案的方法將成為可伸縮、可負(fù)擔(dān)的這些材料的新預(yù)測(cè)因素。這一預(yù)測(cè)能力將幫助減少不連續(xù)性和最大化電荷載流子移動(dòng)性。目前研究人員采用的是反復(fù)試驗(yàn)法，通過(guò)對(duì)不同的溶液澆鑄環(huán)境進(jìn)行測(cè)試從而調(diào)查產(chǎn)生的設(shè)備的性能。
“我們的方法提供了設(shè)備最優(yōu)化反饋回路里的重要媒介物，主要是通過(guò)定義進(jìn)入設(shè)備的薄膜的微觀細(xì)節(jié)，同時(shí)推斷溶液澆鑄將在界面處產(chǎn)生什么樣的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。”金斯伯格這樣表示。“結(jié)果是我們知道如何改變?nèi)芤簼茶T參數(shù)之間的微妙平衡從而產(chǎn)生更具功能性的薄膜。”
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