Новый метод визуализирует структуру органических полупроводников

Электронные устройства на основе органических полупроводников — светодиоды, полевые транзисторы, солнечные элементы — благодаря низкой себестоимости и хорошей масштабируемости представляют альтернативу кремниевым аналогам. Кристаллические пленки из органических материалов обычно получают из раствора, без дорогостоящей процедуры высокотемпературного отжига, необходимой для кремния и прочих неорганических полупроводников.

Актуальной проблемой органических технологий является нестабильность рабочих характеристик, обусловленная, по предположениям ученых, явлениями, происходящими на границе раздела доменов тонкой полупроводниковой пленки. Отсутствие точной информации о морфологии таких интерфейсов заставляло до сих пор исследователей при изготовлении органических пленок руководствоваться, главным образом, методом проб и ошибок.

Внести определенность в этот вопрос смог коллектив Berkeley Lab и Калифорнийского университета (UC Berkeley), возглавляемый Наоми Гинсберг (Naomi Ginsberg). Он разработал методологию анализа доменных интерфейсов органического полупроводника, основанную на использовании уникальной техники микроскопии. При исследовании с ее помощью пленки TIPS-пентацена было выявлено множество беспорядочно ориентированных нанокристаллитов на границах разделов. Они накапливаются там в процессе осаждения полупроводника из раствора, и, подобно завалам на дорогах, препятствуют движению носителей заряда.

«Доменные интерфейсы в тонкопленочных органических полупроводниках меньше по размерам, чем дифракционный предел, скрыты от техник поверхностного зондирования, таких как атомно-силовая микроскопия, а их неоднородность обычно не выявляется рентгеновскими методами, — пишет Гинсберг. — Более того, кристаллический TIPS-пентацен, который мы изучали, имел практически нулевую эмиссию, то есть для его исследования не годилась и фотолюминисцентная микроскопия».

Гинсберг и ее группа нашли выход из ситуации, использовав микроскопию нестационарного поглощения (transient absorption, TA) — метод, в котором фемтосекундные лазерные импульсы возбуждают нестационарные состояния, и регистрируются изменения в спектре поглощения. Для эксперимента исследователи сконструировали оптический микроскоп с фокальным объемом в тысячу раз меньше, чем у обычных TA-микроскопов. Они также применили по-разному поляризованный свет, что позволило дифференцировать интерфейсные сигналы от смежных доменов.

«Наша методология станет важным подспорьем в оптимизации устройств, поскольку характеризует микроскопические детали пленок и подсказывает, каким образом происходит формирование структур на интерфейсах при литье из раствора, — указывается в статье, опубликованной в Nature Communications. — Как результат, мы можем предлагать изменение тонкого баланса параметров процесса, нужное для получения более функциональных пленок».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365