有機半導體由于其在發(fā)光二極管（LEDs）、場效應晶體管（FETs）以及光伏電池方面的應用而受到廣泛關注。由于有機半導體可以通過溶液法制備，對于硅基器件是一種更具成本效益的升級替代品。然而，其性能的不均勻性是一個長期存在的問題。科學家們知道性能問題源于有機半導體薄膜內部的界面，但卻不清楚其具體原因，現在這個迷題似乎被解決了。
美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校化學家娜奧美·金斯伯格（Naomi Ginsberg）領導的團隊采用特殊顯微鏡研究了液相合成的名為TIPS-并五苯（TIPS-pentacene）的特殊高性能有機半導體內部的界面。該團隊發(fā)現溶液澆鑄過程中界面處形成許多隨機排列的雜亂納米晶；好比高速公路上的碎片，納米晶阻礙了載流子的遷移。
Ginsberg表示：“如果界面整潔干凈，可能不會對性能造成這么大的影響，但是納米晶的存在降低了載流子的遷移率。界面的納米晶模型可以為改進液相合成方法從而優(yōu)化器件性能提供關鍵信息。”
該研究以“Exciton dynamics reveals aggregates with intermolecular order at hidden interfaces in solution-cast organic semiconducting films”為題于1月12日發(fā)表在《自然·通訊》（Nat. Commun.， DOI： 10.1038/ncomms6946）上。
有機半導體是基于碳而形成的更大分子，例如苯和并五苯，其導電性介于絕緣體和金屬之間。與硅或其他無機半導體不同，通過液相合成的有機材料通常不需要高溫退火。即使早已清楚有機半導體薄膜結晶疇晶界面是其器件性能的關鍵所在，但至今仍無法獲知這些界面形態(tài)的具體信息。
“有機半導體薄膜因其界面疇比原子力顯微鏡這樣的表面探針技術的衍射極限還要小而無法被觀察，其納米級異質性也使得其通常不能使用X-射線的方法解析。” Ginsberg 說，“而且，我們所研究的TIPS-并五苯幾乎是零發(fā)光，意味著不能采用光致發(fā)光顯微鏡來研究。”
Ginsberg團隊利用瞬態(tài)吸收（TA）顯微鏡克服了這一難題。TA是一種利用飛秒激光脈沖激活瞬態(tài)能量狀態(tài)，使得探測器可以測量吸收光譜變化的技術。研究小組在他們自己搭建的光學顯微鏡上結合了瞬態(tài)吸收光譜顯微鏡學，使得其能夠產生比傳統(tǒng)TA顯微鏡小1000倍的聚焦體積。她們還部署了多種不同的光偏振，從而將相鄰區(qū)域中無法觀察到的獨立界面信號分離開。
“包括非常好的探測器在內的儀器設備、為確保良好信噪比而進行的艱苦的數據收集、以及我們實驗和分析的方法是我們成功的關鍵，” Ginsberg說道，“空間分辨率和光偏振敏感度也是能夠清晰觀察界面信號而不被體相所淹沒所必不可少的，遠比通過焦距的原始觀察的貢獻更大。”
目前，研究人員基本上采用的是試錯法，在不同的溶液澆鑄條件下進行測試從而了解最終器件的性能。Ginsberg及其團隊發(fā)展的方法表明有機半導體薄膜中隱藏界面的結構圖像可以為這些材料的可擴展、經濟的液相合成增加一個預測因子。這種預測有助于減小不連續(xù)性和最大限度提高載流子遷移率。
“我們的方法通過表征薄膜的微觀細節(jié)，推測溶液澆鑄中界面處結構如何創(chuàng)建，在器件優(yōu)化反饋回路中扮演重要的媒介作用，”Ginsberg表示，“因此，我們可以建議如何改變溶液澆鑄參數間的微妙平衡，獲得功能性更強的薄膜。”
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