گره‌گشایی از مشکل نیمه‌هادی‌های آلی
سیناپرس: نیمه هادی آلی یک ماده آلی با خواص نیمه‌هادی یا نیمه‌رسانا است، برای مثال هدایت الکتریکی آن بین عایق و فلز قرار دارد. یک مولکول منفرد، الیگومر و پلیمرهای آلی می توانند خاصیت نیمه‌رسانا از خود بروز دهند. نیمه‌هادی‌های آلی نقش مهمی در دیودهای گسیل دهنده نور (LED)، ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) و سلول‌های فتوولتاییک دارند. از آنجا که این نوع نیمه‌هادی‌ها می‌توانند از حالت محلول چاپ شوند لذا گزینه‌های ارزان و مقیاس‌پذیری برای ادوات مبتنی بر سیلیکون به حساب می‌آیند. اما مشکل حل نشده این مواد، عملکرد متغیر آنهاست. دانشمندان دریافته بودند که مشکلات مربوط به عملکرد این مواد ریشه در حدفاصل حوزه‌های موجود در لایه‌های نازک نیمه هادی آلی دارند، اما علت دقیق آن را شناسایی نکرده بودند. به تازگی پژوهشگران موفق شدند از این راز پرده بردارند.
گروهی از پژوهشگران به سرپرستی نائومی جینسبرگ، استاد شیمی بخش انرژی آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی و دانشگاه برکلی کالیفرنیا، با استفاده از یک روش میکروسکوپی منحصر به فرد، حدفاصل حوزه‌ها را در یک نیمه‌هادی آلی ویژه با عملکرد بالا و قابلیت پردازش به صورت محلول به نام پنتاسین-TIPS مورد مطالعه قرار دادند. جینسبرگ و گروهش نانوکریستال‌هایی با جهت‌گیری تصادفی را کشف کردند که در طی ریخته‌گری محلول نیمه‌هادی به حالت جنبشی درون حدفاصل حوزه‌ها به دام افتاده‌اند. در واقع طرح ساده لایه نازکی از نیمه‌هادی آلی نشان می‌دهد که ناحیه مابین دو حوزه بزرگتر (سبز و آبی)، خود از حوزه‌های کوچک نانوکریستالی با جهت‌گیری تصادفی تشکیل شده است (ارغوانی). این نانوکریستال‌ها مانند قلوه‌سنگ‌هایی که روی بزرگراه ریخته شده‌اند، از جریان حامل‌های باردار جلوگیری می‌کنند.
جینسبرگ می‌گوید: «اگر حدفاصل‌ها پاک و تمیز بودند، در آنصورت تاثیر زیادی بر عملکرد نداشتند اما وجود نانوکریستال‌ها موبیلیتی و تحرک‌پذیری حامل‌های باردار را کاهش می‌دهد. مدل نانوکریستالی ما برای حدفاصل که با مشاهدات نیز مطابقت دارد، اطلاعات حساسی ارائه می‌کند که می‌توان از این اطلاعات برای منطبق کردن روش‌های پردازش به صورت محلول با عملکرد بهینه ادوات استفاده شود.»
جینسبرگ، که به طور مرتب ملاقات‌هایی با بخش علوم زیستی و علوم مواد آزمایشگاه برکلی، و همچنین گروه شیمی و فیزیک دانشگاه برکلی برگزار می‌کرد، نویسنده اصلی مقاله‌ای است که در ژورنال نیچر کامیونیکیشن جزئیات این تحقیق را توضیح می‌دهد. عنوان این مقاله « پویایی اکسیتون، توده‌هایی با اندازه‌های بین مولکولی در حدفاصل‌های مخفی لایه‌های نیمه‌هادی آلی پردازش شده به صورت محلول را آشکار می‌کند» است و کتی ونگ، بنیامین کاتس و هائو وو از نویسندگان همکار این مقاله هستند.
نیمه‌هادی‌های آلی مبتنی بر قابلیت کربن برای تشکیل مولکول‌های بزرگتر مثل بنزن و پنتاسن هستند که ویژگی هدایت الکتریکی آنها مابین عایق‌ها و فلزات است. فلزات آلی توسط روش پردازش به حالت محلول، معمولا به شکل لایه‌های کریستالی در‌می‌آیند و نیازی به استفاده از روش‌های پخت پرهزینه و با حرارت بالا که در سیلیکون و سایر نیمه‌هادی‌های معدنی ضروری است ندارند. با وجود اینکه مدت‌ها قبل روشن شده بود که حدفاصل حوزه‌های کریستالی در لایه‌های نازک نیمه‌هادی آلی برای عملکرد آنها در ادوات یک عامل بحران‌زا به حساب می‌آیند اما تا به امروز اطلاعات دقیقی در مورد مورفولوژی این حدفاصل‌ها کسب نشده بود.
جینسبرگ می‌گوید: «حوزه‌های حدفاصل در لایه‌های نازک نیمه‌هادی آلی کوچکتر از حد پراش هستند لذا از تکنیک‌های کاوش سطح مانند میکروسکوپی نیروی اتمی مخفی می‌ماندند و ناهمگنی نانومقیاس آنها با استفاده از روش‌های اشعه ایکس آشکار نمی‌شد. به علاوه پنتاسین-TIPS کریستالی که ما مورد مطالعه قرار دادیم، عملا هیچ انتشار نوری انجام نمی‌دهد لذا نمی‌توان توسط میکروسکوپ فتولومینسانس آن را مورد بررسی قرار داد.»
جینسبرگ و گروه او با استفاده از میکروسکوپ جذب گذرا (TA) توانستند بر این مشکل غلبه کنند. میکروسکوپ جذب گذرا در واقع روشی است که در آن پالس‌های لیزر فمتو‌ثانیه‌ای حالت‌های انرژی گذرا را تهییج می‌کند و آشکارسازها تغییرات طیف جذب شده را اندازه می‌گیرند. پژوهشگران برکلی روش میکروسکوپی جذب گذرا را روی یک میکروسکوپ نوری که خودشان ساخته بودند اجرا کردند و به این ترتیب موفق شدند درجه‌های کانونی هزار بار کوچکتر از یک میکروسکوپ جذب گذرای مرسوم ایجاد کنند. همچنین آنها چندین قطبش نور متفاوت را به کار گرفتند که به آنها اجازه داد سیگنال‌های حدفاصل را که حتی در حوزه‌های مجاور هم دیده نمی‌شوند را از هم تفکیک کنند.
جینسبرگ در این باره می‌گوید: «ابزار دقیق، از جمله آشکارسازهای بسیار خوب، جمع‌آوری طاقت فرسای داده‌ها برای حصول اطمینان از نسبت سیگنال به نویز مطلوب و نحوه آزمایش و تجزیه و تحلیل ما، همگی در موفقیت به دست آمده دخیل بودند. همچنین قدرت تفکیک فضایی و حساسیت به قطبش نور در روش ما برای به صراحت دیدن یک اثر از کریستال‌های حدفاصل که توسط بدنه نیمه‌هادی پنهان و منجر به تولید سیگنال خام نشود ضرورت داشت.»
روش توسعه یافته توسط جینسبرگ و گروهش برای کشف نقش ساختاری حدفاصل‌های پنهان در لایه‌های نازک نیمه‌هادی آلی باید یک عامل پیش‌بینی کننده به پردازش حالت محلول مقیاس پذیر این مواد اضافه کند. چنین قابلیت پیش‌بینی کننده‌ای می‌تواند انفصال‌ها را کاهش و تحرک‌پذیری حامل‌های باردار را افزایش دهد. به تازگی پژوهشگران از روش سعی و خطا استفاده کردند که در آن شرایط مختلف ریخته‌گری محلول برای انتخاب کردن بهترین عملکرد ادوات ساخته شده امتحان می‌شوند.
جینسبرگ در خاتمه می‌گوید: «روش ما با مشخص کردن جزئیات میکروسکوپی لایه‌های به کار رفته در دستگاه و با پی بردن به چگونگی ساخته شدن ساختارهای حدفاصل‌ها با ریخته‌گری محلول، نقش مهمی در حلقه بازخورد بهینه‌سازی دستگاه ایفا می‌کند. در نتیجه ما می‌توانیم پیشنهاد کنیم که چگونه می‌توان تعادل بسیار ظریف موجود در پارامترهای ریخته‌گری محلول را برای ساختن لایه‌های کاربردی‌تر تغییر داد.»
