Nature Materials: 有机半导体薄膜晶体化过程中均匀的周期性结构的形成

近日美国明尼苏达大学的 John S. Bangsund 和他的研究团队发表了他们在有机半导体薄膜晶体化过程中形成周期性结构的研究成果。 相关研究 “Formation of aligned periodic patterns during the crystallization of organic semiconductor thin films ” 发表在著名期刊“ Nature Material” 上 （nature material 18, 725-731 (2019) .

自组装形成微米、纳米级周期性结构的方法已经引起科学界的高度重视， 这种方法在非光刻图形化领域有着广泛的应用前景。高通量、高效、低成本使得这种技术比经过多程序的光刻技术有更强的吸引力。薄膜皱褶技术可以形成400纳米到10 微米范围周期性结构， 这种结构适合可见光到近红外范围光电子器件以及光电导器件方面的应用。由于薄膜皱褶依赖薄膜的多层性以及缺乏热稳定性使得它在形成规整的周期结构方面面临极大挑战。

John和他的研究团队利用结晶介导机制研究了有机半导体小分子单层薄膜在退火时从非晶-晶体转变的自对准、周期性图形形成过程。他们探索了制备单晶体层、毫米级的大区域周期性图形、特征深度覆盖整个薄膜、 图形波长适用于光电子器件应用的TPBi单层薄膜的工艺工程，实现了单层薄膜制备波长在800纳米到2.4微米范围的周期性图形， 图形深度可以达到光电子器件应用要求的70纳米范围。

该研究利用了Bruker AFM 独特的Peak Force Quantitative Nanomechanical Analysis (PF-QNM)高精度纳米力学表征技术。AFM图像收集是在Bruker MM8 AFM 系统上完成的。 AFM 轻敲模式用来表征了 165度左右退火的不同厚度的TPBi薄膜形成的周期性结构 （ 见图1）。PF-QNM 的粘附力被用来测量晶体薄膜从非晶-晶体的形成过程。 粘附力的图像清楚地区分了非结晶区和结晶区。 对比非结晶区和结晶区， 非结晶区有比较大的粘附力、同时反应出分子自组中的图形倾斜角的增加以及薄膜与探针的相互作用（见图2）的变化。 PF-QNM的图像也反应出表面高度的起始变化与晶界是不一致的，在累积和低谷区向非晶区延展了0.5微米。这帮助研究者确认了周期性图形是起源于这个非结晶区和晶界交叉处向非晶区内延伸0.5微米的地方， 而不是开始于单一的结晶区。

本文相关链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0379-3. 

Bruker MM8 原子力显微镜介绍： 

https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/multimode-8-hr/overview.html

PFQNM 技术介绍

https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/modes/modes/imaging-modes/peakforce-qnm.html