22.08.2023
Пентацен является одним из наиболее известных органических полупроводниковых веществ, тем не менее, рост крупных монокристаллов данного соединения ещё сравнительно мало изучен.
Учеными из 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). 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,b). 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. \(P\bar 1 \) (Рис. 2). 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). Были получены и проанализированы спектры поглощения и люминесценции пентацена и 5,14-пентацендиона в растворах толуола (Рис. 4). 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). Было показано, что присутствие примесей в коммерческом материале пентацена значительно влияет на морфологическое качество тонких поликристаллических пленок и заметно снижает подвижность дырок.
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.
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.
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.
Рис. 4. Спектры поглощения растворов в толуоле: 1a - 5,14-пентацендион; 2a - пентацен. Спектры люминесценции растворов в толуоле:
1b - 5,14-пентацендион; 2b - пентацен.
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.
Подробнее в журнале Crystals.