美国佛蒙特大学(UVM)材料科学家研究团队利用有机半导体——低成本的蓝色染料“酞菁”(phthalocyanine),开发出一种可创造出“电子高速公路”(electron superhighway)的方式,据称可让电子流的更快更远。

 

这一发现发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志,将有助于推动传统矽基电子替代方案的进展。

UVM物理学家兼材料科学家Madalina Furis指出,新一代的有机半导体能以低成本制造出这种软性电子。

许多类型的软性电子元件都有赖于有机材料薄膜捕捉阳光,以及利用“激子”材料中的激发状态将光转换成电流。大致上,激子是一种可与其孔洞结合在一起的移动电子。在激子断开产生电流达到接合点以前,增加激子可扩散的距离,对于改善有机半导体的效率至关重要。

使用一种新的成像技术,UVM团队得以在酞菁薄膜——电子高速公路的路障——中观察到奈米级的缺陷与晶粒边界。“我们发现其中存在着电子必须越过的山丘以及需要避免的坑洞,”Furis解释。

为了找到这些缺陷,UVM团队打造了一个雷射扫描显微镜。这款仪器结合线性偏振光与光致萤光的一种特殊形式,以光学探测酞菁结晶的分子结构。

“结合这两种技术的作法相当新,任何地方都还没有这样的研究报告,”Furis实验室的一位博士生兼该研究的共同作者Lane Manning表示。

该技术让科学家更深入地瞭解分子如何排列以及晶体中的界限如何影响激子的移动。这些边界形成了一个“激子扩散的屏障”。

研究人员说,“这种能障可以被完全消除”。具体的技巧在于仔细地控制薄膜如何沉积的方式。利用带有中空毛细管的新式“笔写”技术,UVM实验室中的物理学与材料科学教授Randy Headrick,形成了具有超大尺寸晶粒和微小角度晶界的薄膜。

尽管这项研究着重于一种有机材料——酞菁,但也为探索其他许多有机材料类型指引了方向,特别是对于改善太阳能电池带来希望。美国能源部(DoE) 最近的一份报告指出,改善太阳能电力技术的重要瓶颈之一在于“在分裂为可转换成电力的电荷以前,透过从系统迁移的吸收能量(激子)来确定机制。”

UVM的研究以Furis的两名学生Zhenwen Pan与Naveen Rawat为主导,为观察有机半导体薄膜开启了一扇窗,这种有机半导体薄膜是让激子迁移的更远的机制。“这种分子就像碗盘一样地堆叠,”Furis解释,这些堆叠的分子就是电子高速公路。

虽然激子是中性电荷,也无法像电子可经由电压推动而流动一样,在某种意义上,激子可能会从紧密堆叠的分子之一弹回到下一个。这让有机薄膜得以沿着分子高速公路携带能量, 不过并不能传送电荷。

Furis指出,“目前的巨大挑战之一在于如何让光电和太阳能技术变得更好。为此,我们需要更深入地瞭解激子扩散。这也是整个研究的重点所在。”