有機(jī)半導(dǎo)體由于其在發(fā)光二極管（LEDs）、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs）以及光伏電池方面的應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。由于有機(jī)半導(dǎo)體可以通過溶液法制備，對(duì)于硅基器件是一種更具成本效益的升級(jí)替代品。然而，其性能的不均勻性是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題?？茖W(xué)家們知道性能問題源于有機(jī)半導(dǎo)體薄膜內(nèi)部的界面，但卻不清楚其具體原因，現(xiàn)在這個(gè)迷題似乎被解決了。

　　美國(guó)能源部勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)家娜奧美·金斯伯格（Naomi Ginsberg）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)采用特殊顯微鏡研究了液相合成的名為TIPS-并五苯（TIPS-pentacene）的特殊高性能有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)部的界面。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)溶液澆鑄過程中界面處形成許多隨機(jī)排列的雜亂納米晶；好比高速公路上的碎片，納米晶阻礙了載流子的遷移。

　　Ginsberg表示：“如果界面整潔干凈，可能不會(huì)對(duì)性能造成這么大的影響，但是納米晶的存在降低了載流子的遷移率。界面的納米晶模型可以為改進(jìn)液相合成方法從而優(yōu)化器件性能提供關(guān)鍵信息。”

　　該研究以“Exciton dynamics reveals aggregates with intermolecular order at hidden interfaces in solution-cast organic semiconducting films”為題于1月12日發(fā)表在《自然·通訊》（Nat. Commun.， DOI： 10.1038/ncomms6946）上。

　　有機(jī)半導(dǎo)體是基于碳而形成的更大分子，例如苯和并五苯，其導(dǎo)電性介于絕緣體和金屬之間。與硅或其他無機(jī)半導(dǎo)體不同，通過液相合成的有機(jī)材料通常不需要高溫退火。即使早已清楚有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶疇晶界面是其器件性能的關(guān)鍵所在，但至今仍無法獲知這些界面形態(tài)的具體信息。

　　“有機(jī)半導(dǎo)體薄膜因其界面疇比原子力顯微鏡這樣的表面探針技術(shù)的衍射極限還要小而無法被觀察，其納米級(jí)異質(zhì)性也使得其通常不能使用X-射線的方法解析。” Ginsberg 說，“而且，我們所研究的TIPS-并五苯幾乎是零發(fā)光，意味著不能采用光致發(fā)光顯微鏡來研究。”

　　Ginsberg團(tuán)隊(duì)利用瞬態(tài)吸收（TA）顯微鏡克服了這一難題。TA是一種利用飛秒激光脈沖激活瞬態(tài)能量狀態(tài)，使得探測(cè)器可以測(cè)量吸收光譜變化的技術(shù)。研究小組在他們自己搭建的光學(xué)顯微鏡上結(jié)合了瞬態(tài)吸收光譜顯微鏡學(xué)，使得其能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)TA顯微鏡小1000倍的聚焦體積。她們還部署了多種不同的光偏振，從而將相鄰區(qū)域中無法觀察到的獨(dú)立界面信號(hào)分離開。

　　“包括非常好的探測(cè)器在內(nèi)的儀器設(shè)備、為確保良好信噪比而進(jìn)行的艱苦的數(shù)據(jù)收集、以及我們實(shí)驗(yàn)和分析的方法是我們成功的關(guān)鍵，” Ginsberg說道，“空間分辨率和光偏振敏感度也是能夠清晰觀察界面信號(hào)而不被體相所淹沒所必不可少的，遠(yuǎn)比通過焦距的原始觀察的貢獻(xiàn)更大。”

　　目前，研究人員基本上采用的是試錯(cuò)法，在不同的溶液澆鑄條件下進(jìn)行測(cè)試從而了解最終器件的性能。Ginsberg及其團(tuán)隊(duì)發(fā)展的方法表明有機(jī)半導(dǎo)體薄膜中隱藏界面的結(jié)構(gòu)圖像可以為這些材料的可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)的液相合成增加一個(gè)預(yù)測(cè)因子。這種預(yù)測(cè)有助于減小不連續(xù)性和最大限度提高載流子遷移率。

　　“我們的方法通過表征薄膜的微觀細(xì)節(jié)，推測(cè)溶液澆鑄中界面處結(jié)構(gòu)如何創(chuàng)建，在器件優(yōu)化反饋回路中扮演重要的媒介作用，”Ginsberg表示，“因此，我們可以建議如何改變?nèi)芤簼茶T參數(shù)間的微妙平衡，獲得功能性更強(qiáng)的薄膜。”