En utilisant une nouvelle méthode d'imagerie, Les chercheurs de LMU montrent que les semi-conducteurs organiques à couche mince contiennent des régions de désordre structurel qui pourraient inhiber le transport de charge et limiter l'efficacité des dispositifs électroniques organiques.

Les semi-conducteurs à base de polymères organiques ou de petites molécules présentent plusieurs avantages par rapport à leurs classiques, cousins ​​​​pour la plupart à base de silicium. Ils sont plus simples et moins chers à fabriquer, et peut être produit sous forme de mince, couches souples, ce qui leur permet d'être attachés à divers substrats et surfaces. Cette polyvalence signifie que les semi-conducteurs organiques sont d'un grand intérêt pour un large éventail d'applications, y compris les dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes et les cellules solaires. Leur conductivité électrique et leur efficacité énergétique sont fonction des propriétés des matériaux qui les composent. C'est pourquoi les chercheurs du LMU dirigés par le Dr Bert Nickel, qui est également membre de la Nanosystems Initiative Munich (NIM), un Pôle d'Excellence, ont étudié comment le degré d'ordre moléculaire dans les couches minces organiques affecte la mobilité et le transport des porteurs de charge à l'intérieur de celles-ci.

Dans les composants à base de semi-conducteurs, la mobilité des particules porteuses de charges - les électrons et leurs homologues chargés positivement, connu sous le nom de trous - doit être aussi haut que possible. "Il y a eu des rapports contradictoires concernant l'effet de la granularité et de la cristallinité du film mince semi-conducteur organique sur la séparation et le transport des porteurs de charge à l'intérieur, " dit Nickel. Lui et ses collègues ont maintenant examiné de plus près la structure moléculaire d'un film mince de pentacène, un prototype de semi-conducteur organique.

Mettre la structure au point

« Des études à l'échelle nanométrique comme celle-ci sont très difficiles », dit le physicien de la LMU, le Dr Fritz Keilmann, pionnier dans le domaine de la microscopie en champ proche. « Nous avons réussi parce que nous avons développé un système laser, méthode d'imagerie à haute résolution chez Neaspec GmbH, une spin-off du Center for NanoScience du LMU. Nous illuminons la pointe extrêmement fine d'un microscope à force atomique avec un faisceau laser infrarouge focalisé. La pointe agit comme une nano-antenne et convertit le rayonnement incident en une source lumineuse intense en champ proche d'un diamètre d'environ 20 nanomètres. Cela suffit pour fournir une analyse de haute précision de la structure du film semi-conducteur - qui révèle l'arrangement spatial de ses molécules constituantes."

A la surprise de tous, les expériences ont montré que, tandis que les grains plats de pentacène qui composent le film organique mince apparaissent souvent homogènes sur de grandes régions, ces zones sont interrompues par des inclusions dans lesquelles les molécules de pentacène sont ordonnées selon un motif ou une phase cristalline différent. « Dans ces domaines, les molécules de pentacène sont plus fortement inclinées que celles des régions voisines. Nous soupçonnons que ces inclusions inhibent le transport des porteurs de charge dans la couche organique, un peu comme les rochers d'une rivière perturbent l'écoulement de l'eau, " dit Christian Westermeier, premier auteur de l'étude.

Les différences de structure cristalline à des échelles extrêmement courtes ne sont pas seulement pertinentes pour le fonctionnement des composants électroniques à haute conductivité tels que l'élément transistor étudié dans cette nouvelle étude. Ils jouent également un rôle crucial dans les cellules solaires organiques, qui sont constitués de plusieurs de ces couches moléculaires. "Jusqu'à maintenant, il a été très difficile d'accéder à ces structures expérimentalement. Notre méthode peut donc apporter une contribution précieuse à notre compréhension de ces systèmes en couches et à l'électronique organique en général, " conclut Nickel.