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电视屏幕卷起来。屋顶瓦片兼作太阳能电池板。太阳能手机充电器编织成背包的面料。佛蒙特大学物理学家和材料科学家Madalina Furis说，新一代有机半导体可以以低成本制造这类柔性电子产品。

但是如何使电子在这些有机材料中快速轻松地移动的基础科学仍然是模糊的。

为了提供帮助，Furis和一支UVM材料科学家团队发明了一种新方法，在其中一种材料中创造了他们所谓的“电子高速公路” - 一种低成本的蓝色染料，称为酞菁 - 有望允许电子在有机半导体中流动越来越快。

他们的发现于9月14日在Nature Communications杂志上发布，将有助于寻找传统硅基电子产品的替代品。

山丘和坑洼

这些类型的柔性电子设备中的许多将依赖于有机材料的薄膜，其捕获阳光并使用称为“激子”的材料中的激发态将光转换成电流。粗略地讲，激子是一个被移位的电子与它留下的洞一起被束缚在一起。增加这些激子可以扩散的距离 - 在它们到达断裂以产生电流的接合点之前 - 对于提高有机半导体的效率至关重要。

使用新的成像技术，UVM团队能够观察到酞菁薄膜中晶粒中的纳米级缺陷和边界 - 电子高速公路中的路障。“我们已经发现，我们拥有电子必须经过的山丘和需要避开的坑洼，”Furis解释道。

为了找到这些缺陷，UVM团队 - 在国家科学基金会的支持下 - 建立了一个扫描激光显微镜，“像桌子一样大”Furis说。该仪器结合了一种特殊形式的线性偏振光和光致发光，可以光学探测酞菁晶体的分子结构。

“将这两种技术结合在一起是新的;它从未在任何地方被报道过，”Lane Manning '08说，他是Furis实验室的博士生，也是新研究的合着者。

这项新技术使科学家们能够更深入地了解分子的排列和晶体中的边界如何影响激子的运动。正是这些界限形成了“激子扩散的障碍”，该团队写道。

然后，通过这种增强的观点，“这种能量障碍可以完全消除”，该团队写道。诀窍：非常小心地控制薄膜的沉积方式。该团队使用一种新型的“笔写”技术和空心毛细管，在UVM物理和材料科学教授Randy Headrick的实验室工作，成功地制作了具有巨型晶粒和“小角度边界”的薄膜。可以把它们想象成在高速公路上的轻松路线 - 而不是在山顶上的尴尬停车标志 - 让激子快速移动。

更好的太阳能电池

虽然Nature Communications的研究只关注一种有机材料酞菁，但新研究提供了探索许多其他类型有机材料的有效方法 - 特别有望改进太阳能电池。能源部最近的一份报告指出，改进太阳能技术的根本瓶颈之一就是“确定吸收的能量(激子)在分裂成电能转化为电能之前通过系统迁移的机制。”

新的UVM研究 - 由Furis的两名学生Zhenwen Pan G'12和Naveen Rawat G'15领导 - 打开了一扇窗户，展示了有机半导体薄膜中增加“长程有序”是一个关键机制这允许激子进一步迁移。“这些分子像盘子一样堆放在餐具架上，”Furis解释说，“这些堆叠的分子 - 这个碟架 - 是电子高速公路。”

虽然激子是中性电荷 - 并且不能像电子流动的电子那样被电压推动 - 但在某种意义上，它们可以从这些紧密堆积的分子中的一个反弹到另一个分子。这允许有机薄膜相对容易地沿着该分子高速公路传输能量，但是没有传输净电荷。

“当今最大的挑战之一是如何制造更好的光伏和太阳能技术，”负责UVM材料科学项目的Furis说，“为此，我们需要更深入地了解激子扩散。这就是本研究的内容。