据《科学日报》报道，有机半导体赢得了发光二极管(LED)、场效应晶体管(FET) 和光伏电池的奖项，这些器件为硅基器件提供了高度可扩展且经济高效的替代品，因为它们可以通过解决方案进行打印。替代计划。然而，有机半导体一直存在性能不稳定的问题。科学家们知道性能问题源于有机半导体薄膜内的界面，但直到最近才清楚其原因。
在溶液浇铸过程中被动力学捕获的随机排列的纳米晶体的混合物
美国能源部(DOE) 劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家Naomi Ginsberg 领导的团队使用一种独特的显微镜来研究所谓的TIPS。 -并五苯是特殊高性能有机半导体内部的界面。她和她的研究团队发现了一种随机排列的纳米晶体的混合物，当溶液被浇注时，这些纳米晶体会被动力学捕获。就像高速公路上的碎片一样，这些纳米晶体会阻碍电荷载流子的流动。
“如果界面干净整洁，它们不会对性能产生巨大影响，但纳米晶体的存在会降低载流子迁移率，”金斯伯格说。 “我们的该界面的纳米晶体模型与观察结果一致，提供了可用于将溶剂处理方法与最佳设备性能联系起来的重要信息。”
劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校化学与物理学院物理生物学部和材料科学部的金斯伯格是该文章发表在《自然通讯》杂志上的通讯作者。该文章的其他合著者包括Cathy Wong、Benjamin Cotts 和Hao Wu。
有机半导体基于碳形成较大分子的能力，例如苯环和并五苯，其电导率介于绝缘体和金属之间。通过溶液处理，有机材料可以成型为晶体薄膜，而无需硅和其他非有机半导体所需的昂贵的高温热处理。然而，尽管众所周知半导体有机薄膜中的晶体界面对器件性能至关重要，但在这项研究之前，有关这些界面的形态信息尚不清楚。
“半导体薄膜的界面小于衍射极限，原子力显微镜等表面检测技术无法检测到它。此外，X射线方法通常无法解决其纳米异质性，”金斯伯格解释道。 “此外，我们研究的结晶TIPS-并五苯几乎为零释放，这意味着它无法使用光致发光显微镜进行研究。”
Ginsberg 和她的团队通过使用瞬态吸收光谱(TA) 显微镜克服了这一挑战，该技术使用飞秒激光脉冲激活瞬态能量状态，以便探测器可以测量吸收光谱。改变。研究小组在他们自己建造的光学显微镜上进行了瞬态吸收光谱显微镜检查，这使得他们能够产生比传统TA 显微镜小一千倍的焦体积。他们还部署了不同的光偏振，使他们能够隔离附近区域无法观察到的接口信号。
“仪器，包括非常好的探测器，与勤奋的数据收集相结合，确保了良好的信噪比，我们对实验和分析方法的改变对于成功至关重要，”金斯伯格解释道。 “我们的空间分辨率和光偏振灵敏度对于明确观察界面信号也非常重要。”金斯伯格和她的研究小组提出的揭示有机半导体薄膜隐藏界面结构模式的方法将成为一种可扩展、可靠的方法。这些材料的负担的新预测因素。这种预测能力将有助于减少不连续性并最大限度地提高载流子迁移率。研究人员目前正在使用试错法，通过测试不同的溶液铸造环境来研究最终设备的性能。
“我们的方法通过定义进入设备的薄膜的微观细节，同时推断溶液浇铸将在界面处产生什么结构，为设备优化的反馈回路提供了重要的中介。”金斯伯格这样表示。 “结果是我们知道如何改变溶液流延参数之间的微妙平衡，以生产更多功能的薄膜。”
