Genom att packa molekyler närmare varandra har kemiingenjörer vid Stanford University dramatiskt förbättrat den elektriska ledningsförmågan hos organiska halvledare. Framsteget kan förebåda ny flexibel elektronik, effektivare solceller och kanske ännu bättre TV-skärmar.

Dessa halvledande kristaller, framtagna av Zhenan Bao och hennes forskargrupp, har mer än fördubblat rekordet på elektrisk ledningsförmåga för en organisk halvledare.
Foto: Gaurav Giri/Stanford University

Organiska halvledare kan inleda en ny era av hopvikbara smarttelefoner, bättre HD-TV-skärmar och solkläder som förvandlar solljus till elektricitet för att laddatill exempel en iPad. Men det finns en allvarlig nackdel: Organiska halvledare leder inte elektrisk ström speciellt bra.

I en artikel som publicerades i slutet av förra året i tidskriften Nature har forskare vid Stanford, ledda av kemiingenjören Zhenan Bao, beskrivit hur de förändratdet förhållandet genom att förbättra möjligheten för elektroner att röra sig genom organiska halvledare. Hemligheten ligger i att packa molekylerna närmare varandra när halvledarkristallerna bildas, med en teknik som ingenjörer betecknar som "straining the lattice".

Bao och hennes kollegor har mer än fördubblat rekordet för elektrisk ledningsförmåga i en organisk halvledare och visat på en elva gånger så stor förbättring, jämfört med ett ”obelastat” gitter av samma halvledare.

– Töjt gitter är ingen hemlighet. Vi har känt till dess goda elektriska egenskaper i decennier och det används i dagens kiselchips i datorer, men ingen har varit framgångsrik i att skapa ett stabilt gitter i organiska halvledare med ett mycket kort avstånd mellan molekylerna, fram tills nu. Förut har ingenjörer försökt komprimera gittret i dessa material genom att syntetiskt växa kristallerna under stort tryck. Men så fort du släpper trycket går kristallen tillbaka till sitt naturliga tillstånd, säger Bao. Vi har kunnat stabilisera dessa kristaller i tätare formationer än någonsin tidigare.

Fininställning
Baos team använde en ”solution-shearing”-teknik liknande en beläggningsprocess som är välkänd inom halvledarindustrin. ”Solution-shearing” bygger på principen med ett tunt, flytande lager av halvledare mellan två metallplattor. Den undre plattan är uppvärmd och den övre plattan flyter ovanpå och glider över halvledaren som en ”pråm”. När den övre plattan förflyttar sig, exponeras vätskan i bakkanten på ”pråmen” för ett förångat lösningsmedel. Kristaller formas då till en tunn film på den uppvärmda plattan.

– Att använda en process som liknar dagens industriteknik är viktigt eftersom det skulle kunna påskynda för dessa halvledare kan komma ut på marknaden, menar Bao.

Ingenjörerna kan sedan "trimma" den hastighet med vilken den övre plattan rör sig, liksom att ändra tjockleken på lösningens lager, temperaturen i den nedre plattan och andra faktorer för att uppnå optimala resultat. Kristallerna formar olika strukturer som beror på den hastighet med vilken den övre plattan rör sig. Dessa skillnader är tydliga i fotografier. Vid låga hastigheter formeras kristallerna i långa, raka strukturer, i linje med den riktning som topplattan rör sig. Vid högre hastigheter bildar kristallerna mycket oregelbundna mönster och vid andra hastigheter formas mönster liknande små snöflingor.

Ingenjörerna testade de olika kristallina mönstrenas elektriska egenskaper. De fann att optimal elektrisk ledningsförmåga uppnåddes när den övre plattan förflyttades med 2,8 millimeter per sekund, en hastighet i mitten av det intervall som testades. Genom att studera fotografier av kristallerna konstaterades att det inte är de längsta och rakaste strukturerna som resulterar i de bästa elektriska egenskaperna, enligt Bao, utan de med de kortare, och samtidigt mycket konsekventa mönstrena.

Nya strukturer, nya analyser
Baos nya halvledare visade sig vara utmanande även ur minst en annan aspekt – att mäta och visualisera gittret och att förstå hur och varför de fungerar. För att få denna förståelse, vände Bao sig till Stefan Mannsfeld, en anställd forskare och expert på X-ray scattering vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource

– Vi har kunnat förbättra hur vi analyserar den relativa ljusstyrkan av de toppar vi kan se i röntgendiffraktionsbilder, säger Mannsfeld. Tidigare var detta endast möjligt när man analyserar relativt stora singelkristaller, men vi har för första gången kunnat kopiera det för mycket tunna filmer som består av dessa kristaller.

Med en förbättrad analys kunde teamet också förstå fysiken bakom förbättringen.

– Vår analys gjorde det möjligt att inte bara se effekterna på gittrets geometri utan också bestämma exakt hur molekylerna packas i gittret. Som ett resultat fick vi en bättre förståelse för varför sådana strukturer förbättrar den ”molekyl-till-molekyl”-elektriska kopplingen som förbättrar den elektriska effektiviteten, säger Mannsfeld.

I artikeln beskriver Bao sin nya teknik tillräckligt generellt för att den kan tillämpas på andra material som en dag skulle kunna ge ännu bättre elektriska egenskaper inom ett brett spektrum av organiska halvledare, enligt ett pressmeddelande.

Filed under: Utländsk Teknik