(Phys.org) — Faire un pas vers l'électronique flexible très convoitée, une équipe de recherche internationale qui a découvert comment enrober un matériau organique sous forme d'un film mince - comme étaler du beurre sur du pain grillé - a voulu examiner de plus près pourquoi leur semi-conducteur organique étalable s'est développé comme il l'a fait.

Entrez les scientifiques de Cornell et la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), où un tout petit, un faisceau de rayons X extrêmement brillant a ouvert la voie à des films à grande vitesse montrant comment ces molécules organiques ont formé des réseaux cristallins à l'échelle nanométrique. Comprendre et ajuster ce processus est essentiel pour faire passer la technologie du laboratoire uniquement à la production de masse.

La visualisation du processus de cristallisation est détaillée dans un 16 avril Communication Nature publication en ligne et implique des scientifiques de l'Université de Stanford, Université des sciences et technologies du roi Abdallah, et Cornell. L'équipe Cornell comprenait le scientifique de CHESS, Detlef Smilgies, qui a dirigé les expériences sur la ligne de rayons X D1 au CHESS ; et Paulette Clancy, professeur de génie chimique et biomoléculaire, qui a fourni l'épine dorsale théorique clé pour étayer les résultats expérimentaux.

Les ingénieurs de Stanford avaient précédemment décrit une méthode appelée cisaillement de solution qui applique une fine couche de solvant semi-conducteur organique sur une surface plane, qui cristallise en quelques millisecondes. Ils ont inventé un appareil semblable à un couteau à beurre qui étale la matière.

Pour capturer ce processus, Smilgies a collaboré avec des scientifiques de Stanford et de KAUST pour concevoir un couteau à beurre miniature compatible avec l'instrumentation à rayons X CHESS. Ils ont focalisé le faisceau synchrotron sur un tout petit point au bord du couteau à beurre, le tir à des intervalles de quelques dizaines de millisecondes d'intervalle pendant que le couteau traînait la solution du semi-conducteur organique le long d'une plaquette de silicium.

"La complexité du processus de cristallisation est ahurissante, " a déclaré Smilgies. " Il y a un taux de cisaillement élevé, évaporation rapide du solvant, puis une nouvelle structure cristalline aux vitesses de cisaillement les plus élevées, qui a donné les meilleures performances de transistor.

Smilgies a crédité l'étudiant diplômé de Stanford, Gaurav Giri, d'avoir reconnu que le confinement moléculaire - amincir ou épaissir le liquide - était le problème clé, et soutenu cette idée en étudiant des solvants avec une variété de tailles moléculaires.

L'étudiante diplômée de Clancy et Cornell, Kristina Lenn, s'est penchée sur la question de savoir pourquoi certains solvants affectaient le résultat de la cristallisation. Ils ont modélisé de nombreux solvants différents et ont montré que la taille moléculaire affectait principalement les types de cristaux formés. En d'autres termes, ils ont fourni les informations théoriques qui ont soutenu l'interprétation des expériences.

"Ce fut une surprise de voir que de petits changements de taille des molécules de solvant étaient suffisants pour perturber l'arrangement des molécules semi-conductrices organiques à proximité, " dit Clancy. " Au fur et à mesure que les particules de solvant grossissaient, vous pouviez visiblement voir les molécules semi-conductrices se plier et se tordre pour éviter la contrainte."

Une connaissance détaillée de la façon d'étaler de tels cristaux minces avec un comportement toujours précis constitue une étape importante vers la transformation de ces semi-conducteurs organiques tendus en produits utiles tels que des écrans flexibles, étiquettes intelligentes et capteurs bioélectroniques, les chercheurs ont dit.