Версия для печати

Рост и характеризация кристаллов пентацена для задач оптоэлектроники

Пентацен является одним из наиболее известных органических полупроводниковых веществ, тем не менее, рост крупных монокристаллов данного соединения ещё сравнительно мало изучен.

Учеными из Федерального научно-исследовательского центра (ФНИЦ) «Кристаллография и фотоника» РАН представлены результаты по выращиванию кристаллов пентацена сантиметрового масштаба методом парового физического транспорта в горизонтальной печи с двумя температурными зонами (Рис. 1).

Рис. 1. Кристаллы, выращенные в двузонном температурном поле: (a) расположение источника вещества и областей преимущественного осаждения темно-синих пластинчатых (I) и игольчатых золотистых (II) кристаллов; (b) увеличенное изображение области II; (c), (d) увеличенные изображения золотистых игольчатых кристаллов; (е) монокристаллы пентацена на миллиметровой бумаге, выращенные при различных температурах второй зоны.

Установлено, что интенсивные процессы роста кристаллов имеют место в переходных областях с резким перепадом температуры, а в области со слабо изменяющейся температурой рост кристаллов практически не наблюдается (Рис. 1a). В процессе роста кристаллов были выделены со-осаждающиеся золотистые игольчатые кристаллы, достигающие в длину более 10 мм (Рис. 1a, 1b).

Методом монокристальной рентгеновской дифракции при 85 K и 293 K для пластинчатых темно-синих кристаллов пентацена (Рис. 1e) уточнена кристаллическая структура в триклинной системе с пр. гр. P 1 ¯ (Рис. 2).

Рис. 2. Кристаллическая структура пентацена при 85 K: (a) вид элементарной ячейки; (b) схема упаковки молекул внутри монослоя в ориентации (001), указывающая расстояния между центрами молекул и потенциалами парных взаимодействий в кДж/моль; (c) некоторые простые формы плоских кристаллов.

Установлено, что золотистые игольчатые кристаллы состоят из молекул производного пентацена – 5,14-пентацендиона, структура кристаллов которого решена впервые в ромбической системе с пр.гр. Р2₁2₁2₁ (Рис. 3).

Рис. 3. Кристаллическая структура 5,14-пентацендиона при 85 K: (a) вид элементарной ячейки; (b) структурная формула соединения; (c) диаграмма наиболее сильных взаимодействий в кристалле между ближайшими соседями, с указанием парных потенциалов (в кДж/моль) и расстояний между центрами молекул.

Были получены и проанализированы спектры поглощения и люминесценции пентацена и 5,14-пентацендиона в растворах толуола (Рис. 4).

Рис. 4. Спектры поглощения растворов в толуоле: 1a – 5,14-пентацендион; 2a – пентацен. Спектры люминесценции растворов в толуоле: 1b – 5,14-пентацендион; 2b – пентацен.

Электрические свойства тонких пленок и монокристаллов пентацена, выращенных в условиях физического транспорта паров, были изучены путем изготовления и характеризации полевых транзисторов на их основе (Рис. 5).

Рис. 5. Передаточные (a, c) и выходные (b, d) вольт-амперные характеристики устройств полевых транзисторов на основе кристаллов пентацена: (a), (b) – для термически осажденных тонких пленок на основе исходного (1) и очищенного (2) пентацена; (c), (d) – для монокристалла пентацена.

Было показано, что присутствие примесей в коммерческом материале пентацена значительно влияет на морфологическое качество тонких поликристаллических пленок и заметно снижает подвижность дырок.

Подробнее в журнале Crystals.
Источник: ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН.