Giải đáp bí ẩn bán dẫn hữu cơ

Phác thảo màng mỏng chất bán dẫn hữu cơ cho thấy rằng vùng giao diện giữa các miền lớn hơn (màu xanh và màu xanh lá cây) bao gồm các miền tinh thể nano nhỏ hơn được định hướng ngẫu nhiên (màu tím).

Chất bán dẫn hữu cơ được đánh giá cao trong các ứng dụng điốt phát sáng (LED), bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) và các tế bào quang điện. Do có thể được in từ dung dịch, chúng cung cấp một sự thay thế hiệu quả về chi phí, có khả năng mở rộng cho các thiết bị điện tử silic. Tuy nhiên hiệu suất không đồng đều là một vấn đề đeo đẳng của lại vật liệu này. Các nhà khoa học đã biết rằng các vấn đề hiệu suất xuất phát từ những giao diện miền bên trong màng mỏng bán dẫn hữu cơ, nhưng chưa rõ nguyên nhân. Bí ẩn này giờ đây dường như đã được giải đáp.

Naomi Ginsberg, một nhà hóa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Bộ Năng lượng Mỹ và Đại học California Berkeley, dẫn đầu một nhóm nghiên cứu sử dụng một dạng kính hiển vi độc đáo để nghiên cứu các giao diện giữa các miền bên trong một bán dẫn hữu cơ dung dịch hiệu suất cao gọi là TIPS-pentacene. Cô và nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một mớ lộn xộn các tinh thể nano định hướng một cách ngẫu nhiên bị mắc kẹt về mặt động học trong các giao diện trong quá trình tạo khuôn cho dung dịch. Cũng giống như các mảnh vụn trên đường cao tốc, các tinh thể nano này cản trở dòng chảy của các hạt mang điện tích.

"Nếu các giao diện gọn gàng và sạch sẽ, chúng sẽ không có tác động lớn như thế đến hiệu suất, nhưng sự hiện diện của các tinh thể nano làm sự di chuyển của các hạt mang điện tích", Ginsberg nói. "Mô hình tinh thể nano của chúng tôi về giao diện, phù hợp với các quan sát, cung cấp thông tin quan trọng có thể được sử dụng để tìm ra phương pháp xử lý dung dịch để tối ưu hiệu suất thiết bị".

Chất bán dẫn hữu cơ được dựa trên khả năng của carbon để tạo thành các phân tử lớn hơn, chẳng hạn như benzene và pentacene, đặc trưng bởi tính dẫn điện rơi đâu đó giữa chất cách điện và kim loại. Thông qua xử lý dung dịch, vật liệu hữu cơ thường có thể được chế tác thành các màng tinh thể mà không cần quá trình ủ nhiệt độ cao đắt tiền như đối với silic và các chất bán dẫn vô cơ khác. Tuy nhiên vấn đề của nó là giao diện giữa các miền trong cấu trúc vật liệu.

"Các miền giao diện trong màng mỏng bán dẫn hữu cơ nhỏ hơn giới hạn nhiễu xạ, không bị phát hiển bởi các kỹ thuật thăm dò bề mặt như kính hiển vi lực nguyên tử, và sự không đồng nhất ở cấp nano của chúng không thể khắc phục bằng các phương pháp X-quang", Ginsberg nói. "Hơn nữa, các tinh thể TIPS-pentacene chúng tôi nghiên cứu hầu như không bức xạ, có nghĩa không thể nghiên cứu chúng bằng kính hiển vi phát sáng quang".

Ginsberg và nhóm của mình đã vượt qua những thách thức đó bằng cách sử dụng soi hiển vi hấp thụ chuyển tiếp (transient absorption -TA), một kỹ thuật trong đó các xung laser femto giây kích thích trạng thái năng lượng chuyển tiếp và các máy dò đo những thay đổi trong quang phổ hấp thụ. Các nhà nghiên cứu Berkeley đã tiến hành soi hiển vi TA trên kính hiển vi quang học họ tự chế tạo cho phép họ tạo ra ảnh chi tiết nhỏ hơn một ngàn lần so với soi hiển vi TA thông thường. Họ cũng đã triển khai nhiều phân cực ánh sáng khác nhau cho phép cô lập các tín hiệu giao diện không nhìn thấy trong các miền liền kề khác.

Phương pháp do Ginsberg và nhóm nhiên cứu phát triển phát hiện ra các họa tiết cấu trúc tại các giao diện ẩn trong màng mỏng bán dẫn hữu cơ cần thêm một yếu tố dự báo để có thể xử lý dung dịch mở rộng với giá phải chăng cho loại vật liệu này. Khả năng dự đoán này sẽ giúp giảm thiểu sự gián đoạn và tối đa hóa tính di động của hạt mang điện tích. Hiện nay, các nhà nghiên cứu về cơ bản sử dụng phương pháp thử và sai, trong đó các điều kiện đúc khuôn dung dịch khác nhau được thử nghiệm để xem các thiết bị thu được thực hiện chức năng như thế nào.

Theo Vista.gov.vn