Иллюстрация, показывающая свет, возбуждающий электроны в двух молекулах органического полупроводника, известного как бакминстерфуллерен. Вновь образовавшийся экситон (показан яркой точкой) сначала распределяется по двум молекулам, а затем оседает на одной молекуле (показана на рисунке справа). Фото: Андреас Виндишбахер
Новая техника визуализации показывает динамику экситонов в органических полупроводникипредлагая понимание их квантовых свойств и потенциала для улучшения материалов для преобразования энергии.
От солнечных батарей на наших крышах до новых экранов OLED-телевизоров, многие повседневные электронные устройства просто не работали бы без взаимодействия света и материалов, из которых состоят полупроводники. Новая категория полупроводников основана на органических молекулах, состоящих в основном из углерода, таких как бакминстерфуллерен. Принцип работы органических полупроводников во многом определяется их поведением в первые несколько мгновений после того, как свет возбуждает электроны, образуя в материале «экситоны».
Вибке Беннеке. Фото: Фотостудия Романа Броделя/Брауншвейг
Исследователи из университетов Геттингена, Граца, Кайзерслаутерна-Ландау и Гренобля-Альп впервые сделали очень быстрые и очень точные изображения этих экситонов – фактически с точностью до одной квадриллионной доли секунды (0,000 000 000 000 001 с). ) и одна миллиардная метра (0,000,000,001м). Это понимание важно для разработки более эффективных материалов на основе органических полупроводников.
Результаты были недавно опубликованы в научном журнале Природные коммуникации.
Понимание динамики экситонов
Когда свет попадает на материал, некоторые электроны поглощают энергию и переводят их в возбужденное состояние. В органических полупроводниках, таких как те, что используются в органических светодиодах, взаимодействие между такими возбужденными электронами и оставшимися «дырками» очень сильное, и электроны и дырки больше нельзя описывать как отдельные частицы. Вместо этого отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки объединяются, образуя пары, известные как экситоны.
Понимание квантово-механических свойств этих экситонов в органических полупроводниках долгое время считалось серьезной задачей – как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения.
Доктор Маттейс Янсен. Фото: Кристина Мёллер
Новый метод проливает свет на эту загадку. Вибке Беннеке, физик из Геттингенского университета и первый автор исследования, объясняет: «Используя наш фотоэмиссионный электронный микроскоп, мы можем понять, что силы притяжения внутри экситонов существенно меняют распределение их энергии и скоростей. Мы измеряем изменения с чрезвычайно высоким разрешением как во времени, так и в пространстве и сравниваем их с теоретическими предсказаниями квантовой механики».
Исследователи называют этот новый метод фотоэмиссионной экситонной томографией. Теория, лежащая в основе этого, была разработана командой под руководством профессора Питера Пушнига из Университета Граца.
Достижения в области полупроводниковых исследований
Этот новый метод позволяет ученым впервые измерить и визуализировать квантовомеханическую волновую функцию экситонов. Проще говоря, волновая функция описывает состояние экситона и определяет вероятность его присутствия.
Доктор Маттейс Янсен из Геттингенского университета объясняет значение полученных результатов: «Органический полупроводник, который мы изучали, представлял собой бакминстерфуллерен, который состоит из сферического расположения из 60 атомов углерода. Вопрос заключался в том, всегда ли экситон будет располагаться на одной молекуле или он может быть распределен по нескольким молекулам одновременно. Это свойство может иметь большое влияние на эффективность полупроводников в солнечных элементах».
Профессор Стефан Матиас. Кредит: Стефан Матиас
Фотоэмиссионная экситонная томография дает ответ: сразу после того, как экситон генерируется светом, он распределяется по двум или более молекулам. Однако в течение нескольких фемтосекунд, то есть за крошечную долю секунды, экситон снова сжимается до одной молекулы.
В будущем исследователи хотят зафиксировать поведение экситонов с помощью нового метода. По словам профессора Стефана Матиаса из Геттингенского университета, это имеет потенциал: «Например, мы хотим увидеть, как относительное движение молекул влияет на динамику экситонов в материале. Эти исследования помогут нам понять процессы преобразования энергии в органических полупроводниках. И мы надеемся, что эти знания будут способствовать разработке более эффективных материалов для солнечных элементов».
Ссылка: «Распутывание мультиорбитальных вкладов экситонов с помощью фотоэмиссионной экситонной томографии» Вибке Беннеке, Андреаса Виндишбахера, Дэвида Шмитта, Яна Филиппа Банге, Ральфа Хемма, Кристиана С. Керна, Габриэле Д’Авино, Ксавье Блазе, Дэниела Стейла, Сабины Стейл, Мартин Эшлиманн, Бенджамин Штадтмюллер, Марсель Ройцель, Петер Пушниг, Г.С. Маттейс Янсен и Стефан Матиас, 28 февраля 2024 г., Природные коммуникации.
DOI: 10.1038/s41467-024-45973-x
Это исследование было проведено за счет финансирования Немецким исследовательским фондом (DFG) совместных исследовательских центров «Контроль преобразования энергии в атомном масштабе», «Математика эксперимента» в Геттингене и «Spin+X» в Кайзерслаутерн-Ландау. Команда в Граце была поддержана грантом ERC Synergy «Орбитальное кино» Европейского Союза.