混雜的隨機排列的納米微晶，后者在溶液澆鑄時會被動力學(xué)圍困

      科學(xué)日報報道，有機半導(dǎo)體因發(fā)光二極管(LED)、場效應(yīng)晶體管(FETs)和光伏電池而獲獎，由于它們可以通過溶液打印，它們提供了相對基于硅設(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)參差不齊有機半導(dǎo)體是一直存在的問題。科學(xué)家們知道性能問題源于有機半導(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。

美國能源部(DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家、美國加州大學(xué)伯克利分校的娜奧美·金斯伯格(Naomi Ginsberg)帶領(lǐng)了一支科研小組利用顯微鏡學(xué)的一種獨特形式研究了名為TIPS-pentacene的特殊高性能有機半導(dǎo)體內(nèi)部的界面。她和她的研究小組發(fā)現(xiàn)了混雜的隨機排列的納米微晶，后者在溶液澆鑄時會被動力學(xué)圍困。就像高速公路上的殘骸一樣，這些納米微晶會阻礙電荷載流子的流動。

“如果界面干凈整齊，它們將不會對性能產(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性，” 金斯伯格說道。“我們對這個界面建立的納米微晶模型——它與觀測結(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。”

勞倫斯伯克利國家實驗室物理生物部門和材料科學(xué)部門、美國加州大學(xué)伯克利分校化學(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(Benjamin Cotts)和吳昊( Hao Wu)。

有機半導(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。通過溶液處理，有機材料可以無需昂貴的高溫?zé)崽幚怼@些是硅和其它非有機半導(dǎo)體所必須經(jīng)過的過程——就被塑造成晶體薄膜。然而，即使眾所周知半導(dǎo)體有機薄膜里的晶體界面對于設(shè)備的性能表現(xiàn)至關(guān)重要，在這項研究之前有關(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，表面探測技術(shù)，例如原子力顯微鏡都無法檢測到它，此外利用X射線方法一般無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)也無法研究它。”

金斯伯格和她的研究小組通過借助瞬態(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)，使得探測器可以測量吸收光譜的改變。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)域無法觀測到的界面信號。

“儀器設(shè)備，包括非常好的探測器，結(jié)合孜孜不倦的數(shù)據(jù)收集保證了較好的信噪比，而我們改變實驗和分析的方法對于獲得的成功至關(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于明確觀測到界面信號也非常重要。” 金斯伯格和她的研究小組提出的揭開有機半導(dǎo)體薄膜隱藏界面里結(jié)構(gòu)圖案的方法將成為可伸縮、可負擔(dān)的這些材料的新預(yù)測因素。這一預(yù)測能力將幫助減少不連續(xù)性和最大化電荷載流子移動性。目前研究人員采用的是反復(fù)試驗法，通過對不同的溶液澆鑄環(huán)境進行測試從而調(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，主要是通過定義進入設(shè)備的薄膜的微觀細節(jié)，同時推斷溶液澆鑄將在界面處產(chǎn)生什么樣的結(jié)構(gòu)來實現(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。”