Рост и характеризация кристаллов пентацена для задач оптоэлектроники
24.08.2023
Пентацен является одним из наиболее известных органических полупроводниковых веществ, тем не менее, рост крупных монокристаллов данного соединения ещё сравнительно мало изучен.
![1-6 (jpg, 148 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=2990b9ed-bc75-4120-be14-0a2a9b41364d)
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).
![2-6 (jpg, 209 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=409cc7a9-44e4-4b51-8979-942f430a6624)
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).
![3-6 (jpg, 114 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=2d6d2715-c7e5-4793-8559-cb3dd0ca7f1a)
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).
![4-6 (jpg, 116 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=9295a16c-594b-4fa6-8bc3-818fa0197b29)
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).
![5-6 (jpg, 97 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=c5db6148-55fe-432a-bd3c-0712d0580a0f)
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).
![6-6 (jpg, 99 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=d6cdf845-3b1a-419c-95e5-2535817ebdf7)
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.