Generic behavior of ultrastability and anisotropic molecular packing in co-deposited organic semiconductor glass mixtures

Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen Wolkenkratzer aus winzigen, unsichtbaren LEGO-Steinen. Normalerweise, wenn Sie diese Steine auf einen Haufen werfen, landen sie in einem chaotischen, ungeordneten Haufen. Das ist das, was passiert, wenn man eine Flüssigkeit schnell abkühlt, um ein „Glas“ im Labor herzustellen; die Moleküle bleiben in einem chaotischen, hochenergetischen Durcheinander stecken. Mit der Zeit möchte sich dieser unordentliche Haufen setzen, sich verschieben und neu anordnen. In der Welt der Elektronik ist dieses Setzen ein Albtraum – es verursacht, dass Ihr Smartphone-Bildschirm oder Fernseher flackert, verblasst oder kaputtgeht.

Aber was wäre, wenn Sie diesen Wolkenkratzer so perfekt bauen könnten, dass er sich nie verändern will? Das ist die Magie von „ ultrastabilen“ Gläsern. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass man diese molekularen Steine, wenn man sie einzeln und nacheinander ablegt, wie mit einem superschnellen 3D-Drucker, so platzieren kann, dass sie den perfekten, niederenergetischen Platz finden, bevor der nächste Stein oben auf landet. Dies schafft eine Struktur, die unglaublich robust und stabil ist.

Die große Frage: Kann man mischen und kombinieren?

Bis jetzt wussten Wissenschaftler hauptsächlich, wie man das mit nur einer Art von Stein macht. Aber reale Elektronik, wie die Bildschirme in Ihren Geräten, besteht aus Mischungen verschiedener Moleküle. Die große Frage war: Kann man zwei verschiedene Arten von Steinen mischen und trotzdem diese perfekte, ultrastabile Struktur erhalten?

Einige Forscher dachten, es sei unmöglich, wenn die zwei Arten von Steinen zu unterschiedlich wären. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Wand mit riesigen Felsbrocken und kleinen Kieselsteinen gleichzeitig zu bauen. Wenn die Felsbrocken zu schwer und die Kiesel zu leicht sind, können sie vielleicht keinen gemeinsamen Rhythmus finden, um zusammen eine perfekte Wand zu bauen. Speziell fragten sich Wissenschaftler, ob das Mischen von Molekülen mit sehr unterschiedlichen „Glasübergangstemperaturen“ (ein schicker Begriff für die Temperatur, bei der sie steif werden) funktionieren würde. Wenn ein Molekül bei 332 K steif wird und das andere bei 450 K, können sie dann immer noch gemeinsam tanzen, um ein perfektes Glas zu bilden?

Das Experiment: Ein Tanz von sechs Paaren

Die Forscher an der University of Wisconsin-Madison beschlossen, dies mit sechs verschiedenen Paaren organischer Halbleitermoleküle zu testen. Sie wählten nicht einfach ähnliche, sondern Paare mit riesigen Unterschieden in ihren Steifigkeitstemperaturen – einige Paare unterschieden sich um bis zu 96 K! Sie mischten auch unterschiedliche Formen: Einige waren lange Stäbe, einige flache Scheiben und einige runde Kugeln.

Sie verwendeten eine spezielle Vakuumkammer, um diese Mischungen durch Dampfabscheidung aufzutragen, wobei sie ein Gewichtsverhältnis von 50:50 (die Hälfte von dem einen, die Hälfte von dem anderen) einhielten. Sie kontrollierten sorgfältig die Temperatur des Bodens (des Substrats), auf dem die Moleküle landeten, und hielten diese zwischen 0,78 und 0,88 der Glasübergangstemperatur der Mischung.

Die Überraschung: Es funktioniert!

Die Ergebnisse waren eine riesige Überraschase. Selbst obwohl die Moleküle sehr unterschiedlich waren, bildeten alle sechs Mischungen ultrastabile Gläser.

• Die Stabilität: Diese gemischten Gläser waren genauso robust und stabil wie die besten einkomponentigen Gläser, die jemals hergestellt wurden. Sie benötigten deutlich mehr Hitze, um anfangen zu sich zu bewegen und umzuordnen (etwa 15 bis 21 K mehr) als normale, unordentliche Gläser.
• Die Energie: Sie befanden sich auch in einem viel niedrigeren Energiezustand, was bedeutet, dass sie viel weniger wahrscheinlich sich über die Zeit zu verändern.
• Die Regel: Dies funktionierte selbst dann, wenn der Unterschied in der Steifigkeit zwischen den beiden Molekülen massiv war (bis zu 96 K). Die alte Idee, dass man ähnliche Moleküle benötigt, um eine stabile Mischung zu erzeugen, wurde widerlegt.

Das Geheimrezept: Der „Iso-Mobilitäts“-Tanz

Wie haben sie das gemacht? Die Wissenschaftler erklären es mithilfe eines Mechanismus der „Oberflächen-Äquilibrierung“. Stellen Sie sich die Oberfläche des wachsenden Glases wie eine Tanzfläche vor. Damit die Steine ihren perfekten Platz finden, müssen sie in der Lage sein, ein wenig zu wackeln und sich zu bewegen, bevor sie begraben werden.

Die Forscher fanden heraus, dass die beiden Moleküle, obwohl sie unterschiedlich sind, sich auf der Oberfläche der wachsenden Mischung scheinbar mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen. Es ist, als ob ein schneller Tänzer und ein langsamer Tänzer Händchen halten; sie passen ihre Schritte so an, dass sie im perfekten Einklang miteinander tanzen. Dieser „Iso-Mobilitäts“-Tanz ermöglicht es beiden Molekülarten, gleichzeitig ihre perfekten, niederenergetischen Plätze zu finden, was eine stabile Struktur schafft, selbst wenn sie für sich genommen sehr verschieden sind.

Die Orientierung vorhersagen: Das „Face-On“ vs. „Edge-On“-Spiel

Die Forscher untersuchten auch, wie die Moleküle standen. Liegen sie flach auf dem Boden („face-on“) oder stehen sie wie Soldaten aufrecht („edge-on“)? Diese Orientierung ist entscheidend dafür, wie gut das Gerät funktioniert.

Sie entdeckten eine einfache Regel, um diese Orientierung vorherzusagen. Wenn man weiß, wie ein reines Molekül bei einer bestimmten Temperatur relativ zu seiner eigenen Steifigkeit aufgestellt wird, kann man vorhersagen, wie es in einer Mischung stehen wird.

• Sie fanden heraus, dass die Orientierung vom Verhältnis der Abscheidungstemperatur zur Glasübergangstemperatur der Mischung ($T_{sub}/T_{g,mixture}$) abhängt.
• Wenn man bei einem niedrigeren Verhältnis abscheidet, neigen die Moleküle dazu, flach zu liegen. Wenn man bei einem höheren Verhältnis abscheidet, stehen sie auf oder werden zufällig orientiert.
• Am wichtigsten ist, dass sie bewiesen haben, dass man die Orientierung der Mischung berechnen kann, indem man einfach den gewichteten Durchschnitt der Orientierungen der beiden reinen Komponenten bildet, aber nur, wenn man sie bei der gleichen relativen Temperatur vergleicht.

Sie testeten eine einfache Idee: „Vertage das Ergebnis einfach bei der exakt gleichen Temperatur.“ Das funktionierte nicht. Aber als sie ihre neue Regel verwendeten (den Vergleich bei der gleichen relativen Temperatur), stimmten ihre Vorhersagen für alle sechs Mischungen perfekt mit den experimentellen Daten überein.

Was das für Ihre Gadgets bedeutet

Dies ist nicht nur Theorie. Die Arbeit legt nahe, dass man, wenn man bessere, langlebigere elektronische Geräte (wie OLED-Bildschirme) bauen möchte, sich keine Sorgen machen muss, zwei Moleküle zu finden, die fast identisch sind. Solange beide Moleküle einzeln stabile Gläser bilden können und sich gut vermischen, kann man sie in fast jedem Verhältnis kombinieren, um ein superstabiles, hochleistungsfähiges Material zu erhalten.

Die Forscher weisen auch darauf hin, dass man für die Fertigung bei Raumtemperatur eine Mischung mit einer Glasübergangstemperatur zwischen 340 K und 370 K anstreben sollte, um die stabilsten Ergebnisse zu erzielen. Dies gibt Ingenieuren ein klares Ziel für das Design der nächsten Generation von Elektronik, die nicht so schnell altert.

Kurz gesagt: Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die „Tanzfläche“ von dampfabgesetzten Gläsern flexibler ist, als man bisher dachte. Selbst sehr unterschiedliche Moleküle können lernen, perfekt zusammen zu tanzen und Materialien zu schaffen, die stärker, stabiler und effizienter sind als je zuvor.