Les semi-conducteurs organiques sont prisés pour les diodes électroluminescentes (LED), transistors à effet de champ (FET) et cellules photovoltaïques. Comme ils peuvent être imprimés à partir de la solution, ils offrent une solution hautement évolutive, alternative rentable aux appareils à base de silicium. Des performances inégales, cependant, ont été un problème persistant. Les scientifiques savent que les problèmes de performances proviennent des interfaces de domaine au sein des films minces de semi-conducteurs organiques, mais je n'en connais pas la cause. Ce mystère semble désormais résolu.

Naomi Ginsberg, professeur de chimie au sein du Lawrence Berkeley National Laboratory du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley, a dirigé une équipe qui a utilisé une forme unique de microscopie pour étudier les interfaces de domaine au sein d'un semi-conducteur organique traité en solution particulièrement performant appelé TIPS-pentacène. Elle et son équipe ont découvert un fouillis encombré de nanocristallites orientés au hasard qui sont piégés cinétiquement dans les interfaces lors de la coulée de la solution. Comme des débris sur une autoroute, ces nanocristallites gênent l'écoulement des porteurs de charges.

"Si les interfaces étaient nettes et propres, ils n'auraient pas un impact aussi important sur les performances, mais la présence des nanocristallites réduit la mobilité des porteurs de charge, " dit Ginsberg. " Notre modèle de nanocristallite pour l'interface, ce qui est cohérent avec les observations, fournit des informations critiques qui peuvent être utilisées pour corréler les méthodes de traitement des solutions aux performances optimales de l'appareil."

Ginsberg, qui occupe des postes au sein de la division des biosciences physiques de Berkeley Lab et de sa division des sciences des matériaux, ainsi que les départements de chimie et de physique de l'UC Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans Communication Nature . L'article s'intitule "La dynamique d'excitation révèle des agrégats avec un ordre intermoléculaire à des interfaces cachées dans des films semi-conducteurs organiques coulés en solution". Les co-auteurs sont Cathy Wong, Benjamin Cotts et Hao Wu.

Les semi-conducteurs organiques sont basés sur la capacité du carbone à former des molécules plus grosses, comme le benzène et le pentacène, présentant une conductivité électrique qui se situe quelque part entre les isolants et les métaux. Grâce au traitement de la solution, les matériaux organiques peuvent généralement être transformés en films cristallins sans le coûteux processus de recuit à haute température requis pour le silicium et d'autres semi-conducteurs inorganiques. Cependant, même s'il est clair depuis longtemps que les interfaces du domaine cristallin dans les films minces organiques semi-conducteurs sont essentielles à leurs performances dans les dispositifs, des informations détaillées sur la morphologie de ces interfaces manquaient jusqu'à présent.

"Les domaines d'interface dans les films minces semi-conducteurs organiques sont plus petits que la limite de diffraction, caché des techniques de sonde de surface telles que la microscopie à force atomique, et leur hétérogénéité à l'échelle nanométrique n'est généralement pas résolue à l'aide de méthodes aux rayons X, " dit Ginsberg. " De plus, le TIPS-pentacène cristallin que nous avons étudié n'a pratiquement aucune émission, ce qui signifie qu'il ne peut pas être étudié avec la microscopie à photoluminescence."

Ginsberg et son groupe ont surmonté les défis en utilisant la microscopie à absorption transitoire (TA), une technique dans laquelle des impulsions laser femtosecondes excitent des états d'énergie transitoire et des détecteurs mesurent les changements dans les spectres d'absorption. Les chercheurs de Berkeley ont effectué une microscopie TA sur un microscope optique qu'ils ont eux-mêmes construit, ce qui leur a permis de générer des volumes focaux mille fois plus petits que ce qui est typique des microscopes TA conventionnels. Ils ont également déployé plusieurs polarisations lumineuses différentes qui leur ont permis d'isoler les signaux d'interface non visibles dans l'un ou l'autre des domaines adjacents.

"Instrumentation, y compris de très bons détecteurs, la collecte minutieuse des données pour assurer de bons rapports signal/bruit, et la façon dont nous avons conçu l'expérience et l'analyse ont toutes été essentielles à notre succès, " dit Ginsberg. " Notre résolution spatiale et notre sensibilité à la polarisation de la lumière étaient également essentielles pour pouvoir voir sans équivoque une signature de l'interface qui n'était pas submergée par la masse, ce qui contribue beaucoup plus au signal brut en volume."

La méthodologie développée par Ginsberg et son équipe pour découvrir des motifs structurels aux interfaces cachées dans les films minces de semi-conducteurs organiques devrait ajouter un facteur prédictif au traitement de solution évolutif et abordable de ces matériaux. Cette capacité prédictive devrait aider à minimiser les discontinuités et à maximiser la mobilité des porteurs de charge. Actuellement, les chercheurs utilisent ce qui est essentiellement une approche d'essais et d'erreurs, dans lequel différentes conditions de coulée de solution sont testées pour voir les performances des dispositifs résultants.

"Notre méthodologie fournit un intermédiaire important dans la boucle de rétroaction de l'optimisation des dispositifs en caractérisant les détails microscopiques des films qui entrent dans les dispositifs, et en déduisant comment le moulage de la solution aurait pu créer les structures aux interfaces, " dit Ginsberg. " En conséquence, nous pouvons suggérer comment modifier l'équilibre délicat des paramètres de coulée en solution pour faire des films plus fonctionnels. »