有机半导体由于其在发光二极管（LEDs）、场效应晶体管（FETs）以及光伏电池方面的应用而受到广泛关注。由于有机半导体可以通过溶液法制备，对于硅基器件是一种更具成本效益的升级替代品。然而，其性能的不均匀性是一个长期存在的问题。科学家们知道性能问题源于有机半导体薄膜内部的界面，但却不清楚其具体原因，现在这个迷题似乎被解决了。

　　美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校化学家娜奥美·金斯伯格（Naomi Ginsberg）领导的团队采用特殊显微镜研究了液相合成的名为TIPS-并五苯（TIPS-pentacene）的特殊高性能有机半导体内部的界面。该团队发现溶液浇铸过程中界面处形成许多随机排列的杂乱纳米晶；好比高速公路上的碎片，纳米晶阻碍了载流子的迁移。

　　Ginsberg表示：“如果界面整洁干净，可能不会对性能造成这么大的影响，但是纳米晶的存在降低了载流子的迁移率。界面的纳米晶模型可以为改进液相合成方法从而优化器件性能提供关键信息。”

　　该研究以“Exciton dynamics reveals aggregates with intermolecular order at hidden interfaces in solution-cast organic semiconducting films”为题于1月12日发表在《自然·通讯》（Nat. Commun.， DOI： 10.1038/ncomms6946）上。

　　有机半导体是基于碳而形成的更大分子，例如苯和并五苯，其导电性介于绝缘体和金属之间。与硅或其他无机半导体不同，通过液相合成的有机材料通常不需要高温退火。即使早已清楚有机半导体薄膜结晶畴晶界面是其器件性能的关键所在，但至今仍无法获知这些界面形态的具体信息。

　　“有机半导体薄膜因其界面畴比原子力显微镜这样的表面探针技术的衍射极限还要小而无法被观察，其纳米级异质性也使得其通常不能使用X-射线的方法解析。” Ginsberg 说，“而且，我们所研究的TIPS-并五苯几乎是零发光，意味着不能采用光致发光显微镜来研究。”

　　Ginsberg团队利用瞬态吸收（TA）显微镜克服了这一难题。TA是一种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变化的技术。研究小组在他们自己搭建的光学显微镜上结合了瞬态吸收光谱显微镜学，使得其能够产生比传统TA显微镜小1000倍的聚焦体积。她们还部署了多种不同的光偏振，从而将相邻区域中无法观察到的独立界面信号分离开。

　　“包括非常好的探测器在内的仪器设备、为确保良好信噪比而进行的艰苦的数据收集、以及我们实验和分析的方法是我们成功的关键，” Ginsberg说道，“空间分辨率和光偏振敏感度也是能够清晰观察界面信号而不被体相所淹没所必不可少的，远比通过焦距的原始观察的贡献更大。”

　　目前，研究人员基本上采用的是试错法，在不同的溶液浇铸条件下进行测试从而了解最终器件的性能。Ginsberg及其团队发展的方法表明有机半导体薄膜中隐藏界面的结构图像可以为这些材料的可扩展、经济的液相合成增加一个预测因子。这种预测有助于减小不连续性和最大限度提高载流子迁移率。

　　“我们的方法通过表征薄膜的微观细节，推测溶液浇铸中界面处结构如何创建，在器件优化反馈回路中扮演重要的媒介作用，”Ginsberg表示，“因此，我们可以建议如何改变溶液浇铸参数间的微妙平衡，获得功能性更强的薄膜。”