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».
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 секунды и одной миллиардной доли секунды. метр. Это понимание важно для разработки более эффективных материалов на основе органических полупроводников. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Когда свет попадает на материал, некоторые электроны поглощают энергию, и это переводит 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.
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 обнаружить, что силы притяжения внутри экситонов существенно меняют распределение их энергии и скоростей. Мы измеряем эти изменения с чрезвычайно высокой точностью. высокое разрешение как во времени, так и в пространстве и сравнить 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.
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: «Органическим полупроводником , который мы изучали, был бакминстерфуллерен, который состоит из сферического расположения из 60 атомов углерода. Вопрос заключался в том, всегда ли экситон будет располагаться на одной молекуле. или оно может быть распределено по нескольким молекулам одновременно. Это свойство может иметь большое влияние на эффективность полупроводников в солнечных элементах».
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. мы надеемся, что эти знания будут способствовать разработке более эффективных материалов для солнечных батарей».
