混杂的随机排列的纳米微晶，后者在溶液浇铸时会被动力学围困
科学日报报道，有机半导体因发光二极管(LED)、场效应晶体管(FETs)和光伏电池而获奖，由于它们可以通过溶液打印，它们提供了相对基于硅设备的高度可伸缩、成本效益较高的替代方案。然而，性能表现参差不齐有机半导体是一直存在的问题。科学家们知道性能问题源于有机半导体薄膜内部的界面，但却一直不清楚背后的原因，这一谜题直到近期才被解决。
美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室的科学家、美国加州大学伯克利分校的娜奥美·金斯伯格(Naomi Ginsberg)带领了一支科研小组利用显微镜学的一种独特形式研究了名为TIPS-pentacene的特殊高性能有机半导体内部的界面。她和她的研究小组发现了混杂的随机排列的纳米微晶，后者在溶液浇铸时会被动力学围困。就像高速公路上的残骸一样，这些纳米微晶会阻碍电荷载流子的流动。
“如果界面干净整齐，它们将不会对性能产生巨大的影响，但纳米微晶的存在减少了电荷载流子的移动性，” 金斯伯格说道。“我们对这个界面建立的纳米微晶模型——它与观测结果相一致——提供了至关重要的信息，它或可以被用于将处理溶剂的方法与最优的设备性能相联系。”
劳伦斯伯克利国家实验室物理生物部门和材料科学部门、美国加州大学伯克利分校化学和物理学学院的金斯伯格是这篇发表在期刊《自然通信》上的文章的联系作者。文章的其它合作作者还包括王凯西(Cathy Wong)、本杰明·科茨(Benjamin Cotts)和吴昊( Hao Wu)。
有机半导体是基于碳的能力形成更大分子，例如苯环和并五苯，它们具有介于绝缘体和金属之间的导电性。通过溶液处理，有机材料可以无需昂贵的高温热处理——这些是硅和其它非有机半导体所必须经过的过程——就被塑造成晶体薄膜。然而，即使众所周知半导体有机薄膜里的晶体界面对于设备的性能表现至关重要，在这项研究之前有关这些界面的形态学信息仍是未知数。
“半导体薄膜界面比衍射极限还要小，表面探测技术，例如原子力显微镜都无法检测到它，此外利用X射线方法一般无法解决它的纳米异质性。” 金斯伯格解释道。“此外我们研究的晶体TIPS-pentacene几乎为0释放，这意味着利用光致发光显微镜学也无法研究它。”
金斯伯格和她的研究小组通过借助瞬态吸收光谱(TA)显微镜学克服了这一难题，这一技术是指利用飞秒激光脉冲激活瞬态能量状态，使得探测器可以测量吸收光谱的改变。研究小组在他们自己搭建的光学显微镜上进行了瞬态吸收光谱显微镜学，这使得他们可以产生比传统TA显微镜学还要小一千倍的聚焦体积。他们还部署了不同的光偏振使得它们可以隔离临近区域无法观测到的界面信号。
“仪器设备，包括非常好的探测器，结合孜孜不倦的数据收集保证了较好的信噪比，而我们改变实验和分析的方法对于获得的成功至关重要。” 金斯伯格解释道。“我们的空间分辨率和光偏振敏感性对于明确观测到界面信号也非常重要。” 金斯伯格和她的研究小组提出的揭开有机半导体薄膜隐藏界面里结构图案的方法将成为可伸缩、可负担的这些材料的新预测因素。这一预测能力将帮助减少不连续性和最大化电荷载流子移动性。目前研究人员采用的是反复试验法，通过对不同的溶液浇铸环境进行测试从而调查产生的设备的性能。
“我们的方法提供了设备最优化反馈回路里的重要媒介物，主要是通过定义进入设备的薄膜的微观细节，同时推断溶液浇铸将在界面处产生什么样的结构来实现。” 金斯伯格这样表示。“结果是我们知道如何改变溶液浇铸参数之间的微妙平衡从而产生更具功能性的薄膜。”
