混雜的隨機排列的納米微晶，后者在溶液澆鑄時會被動力學圍困

      科學日報報道，有機半導體因發光二極管(LED)、場效應晶體管(FETs)和光伏電池而獲獎，由于它們可以通過溶液打印，它們提供了相對基于硅設備的高度可伸縮、成本效益較高的替代方案。然而，性能表現參差不齊有機半導體是一直存在的問題。科學家們知道性能問題源于有機半導體薄膜內部的界面，但卻一直不清楚背后的原因，這一謎題直到近期才被解決。

美國能源部(DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家、美國加州大學伯克利分校的娜奧美·金斯伯格(Naomi Ginsberg)帶領了一支科研小組利用顯微鏡學的一種獨特形式研究了名為TIPS-pentacene的特殊高性能有機半導體內部的界面。她和她的研究小組發現了混雜的隨機排列的納米微晶，后者在溶液澆鑄時會被動力學圍困。就像高速公路上的殘骸一樣，這些納米微晶會阻礙電荷載流子的流動。

“如果界面干凈整齊，它們將不會對性能產生巨大的影響，但納米微晶的存在減少了電荷載流子的移動性，” 金斯伯格說道。“我們對這個界面建立的納米微晶模型——它與觀測結果相一致——提供了至關重要的信息，它或可以被用于將處理溶劑的方法與最優的設備性能相聯系。”

勞倫斯伯克利國家實驗室物理生物部門和材料科學部門、美國加州大學伯克利分校化學和物理學學院的金斯伯格是這篇發表在期刊《自然通信》上的文章的聯系作者。文章的其它合作作者還包括王凱西(Cathy Wong)、本杰明·科茨(Benjamin Cotts)和吳昊( Hao Wu)。

有機半導體是基于碳的能力形成更大分子，例如苯環和并五苯，它們具有介于絕緣體和金屬之間的導電性。通過溶液處理，有機材料可以無需昂貴的高溫熱處理——這些是硅和其它非有機半導體所必須經過的過程——就被塑造成晶體薄膜。然而，即使眾所周知半導體有機薄膜里的晶體界面對于設備的性能表現至關重要，在這項研究之前有關這些界面的形態學信息仍是未知數。

“半導體薄膜界面比衍射極限還要小，表面探測技術，例如原子力顯微鏡都無法檢測到它，此外利用X射線方法一般無法解決它的納米異質性。” 金斯伯格解釋道。“此外我們研究的晶體TIPS-pentacene幾乎為0釋放，這意味著利用光致發光顯微鏡學也無法研究它。”

金斯伯格和她的研究小組通過借助瞬態吸收光譜(TA)顯微鏡學克服了這一難題，這一技術是指利用飛秒激光脈沖激活瞬態能量狀態，使得探測器可以測量吸收光譜的改變。研究小組在他們自己搭建的光學顯微鏡上進行了瞬態吸收光譜顯微鏡學，這使得他們可以產生比傳統TA顯微鏡學還要小一千倍的聚焦體積。他們還部署了不同的光偏振使得它們可以隔離臨近區域無法觀測到的界面信號。

“儀器設備，包括非常好的探測器，結合孜孜不倦的數據收集保證了較好的信噪比，而我們改變實驗和分析的方法對于獲得的成功至關重要。” 金斯伯格解釋道。“我們的空間分辨率和光偏振敏感性對于明確觀測到界面信號也非常重要。” 金斯伯格和她的研究小組提出的揭開有機半導體薄膜隱藏界面里結構圖案的方法將成為可伸縮、可負擔的這些材料的新預測因素。這一預測能力將幫助減少不連續性和最大化電荷載流子移動性。目前研究人員采用的是反復試驗法，通過對不同的溶液澆鑄環境進行測試從而調查產生的設備的性能。

“我們的方法提供了設備最優化反饋回路里的重要媒介物，主要是通過定義進入設備的薄膜的微觀細節，同時推斷溶液澆鑄將在界面處產生什么樣的結構來實現。” 金斯伯格這樣表示。“結果是我們知道如何改變溶液澆鑄參數之間的微妙平衡從而產生更具功能性的薄膜。”