Международная группа ученых из России (в том числе из МФТИ), Германии и Франции исследовала зависимость электрических свойств от структуры тонких пленок дигексил-кватротиофена, многообещающего с точки зрения гибкой электроники материала. Оказалось, что при переходе от кристаллической формы к жидкокристаллической пленки хуже проводят электрический ток.
Кроме того, исследователи обнаружили не встречающуюся в объемном материале «третью фазу» — слой вещества толщиной в одну молекулу. Эта структура может способствовать переносу заряда в плоскости пленки, что важно при проектировании микроэлектронных устройств. Результаты опубликованы в журнале Nanoscale Research Letters.
Олиготиофены — перспективные органические полупроводники. Их стержневидные молекулы способны ориентироваться вблизи поверхности, на которую они нанесены, располагая циклы тиофенов друг за другом подобно стопкам монет. При этом «ребра монет» в соседних стопках расположены, как паркетные плашки при укладке паркета «елочкой» (так, кстати, эта ориентация молекул и называется). Эта «укладка» позволяет заряду перемещаться от одной молекулы к другой.
Чем больше в молекуле тиофенов — циклических углеводородов, содержащих атом серы, — тем проводимость лучше, но при этом уменьшается растворимость соединения. Оптимальным количеством признано четыре, при этом растворимость улучшают, например, добавляя гексильные фрагменты на концы цепочки (рисунок1).
Рисунок 1. Структурная формула молекулы тиофена и молекулы дигексил-кватротиофена
Исследователи испаряли растворенный дигексил-кватротиофен в вакуумном реакторе и осаждали на кремниевую подложку. Кристаллическую структуру получившихся пленок изучали методом дифракции рентгеновского луча при скользящем падении. Луч падает на пленку под очень малым углом, что увеличивает путь, который он проходит в толще материала, претерпевая многократные отражения. Иначе сигнал от тонкой пленки получается очень слабым и теряется на фоне сигнала от подложки. Полученная информация дала возможность установить, как молекулы вещества расположились относительно подложки.
Выяснилось, что изначально дигексил-кватротиофен высококристалличен: молекулы расположены «елочкой» и стоят перпендикулярно подложке. При нагреве образца до 85 градусов происходил фазовый переход: ориентация молекул менялась, образовывалась жидкокристаллическая фаза. Это сопровождалось снижением проводимости пленки.
После нагрева до 130 градусов образец охлаждали до комнатной температуры, при этом кристалличность и, следовательно, проводимость частично восстанавливались.
При нагреве ученые увидели появление третьей структуры — на рентгенограмме наблюдались слабые дифракционные максимумы, не соответствующие жидкокристаллической фазе. В ранее проведенных научных работах схожие максимумы давали монослои подобных дигексил-кватротиофену соединений. Интересно, что данная фаза наблюдалась и при температуре образца в 70 градусов.
По своей структуре обнаруженный монослой способствует переносу зарядов в плоскости, что важно при применении пленок для гибкой электроники. Кроме того, возможно, подобные монослои возникают и в тонких пленках других схожих по структуре соединений, применяемых при производстве микроэлектронных устройств. В связи с тем, что основной перенос заряда происходит в очень тонком слое около подложки, данный факт придется учитывать при рассмотрении связи между переносом зарядов в веществе и его наноструктурой.
Дмитрий Иванов, профессор, заведующий лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ, директор исследований Национального центра научных исследований Франции и соавтор работы, прокомментировал: «Использованное в работе сочетание in situ (лат. „на месте“) методов исследования, таких как структурный анализ и одновременные измерения электрических свойств, позволяет разобраться в природе сложных фазовых превращений материала и оценить его потенциал для практического применения в органических электронных устройствах».
Пресс-служба МФТИ