Forskare vid Institute of Solid State Physics kartlägger ett radikalt nytt tillvägagångssätt för att designa optiska och elektroniska egenskaper hos material i Avancerade material .

Beräkningsmaterialdesign används traditionellt för att förbättra och vidareutveckla redan existerande material. Simuleringar ger en djup insikt i de kvantmekaniska effekter som bestämmer materialegenskaper. Egbert Zojer och hans team vid Institute of Solid State Physics vid TU Graz går ett avgörande steg utöver det:de använder datorsimuleringar för att föreslå ett helt nytt koncept för att kontrollera de elektroniska egenskaperna hos material. Potentiellt störande influenser som härrör från det regelbundna arrangemanget av polära element, så kallade kollektiva elektrostatiska effekter, används av forskargruppen för att avsiktligt manipulera materialegenskaper. Att detta radikalt nya tillvägagångssätt även fungerar för tredimensionella material har visats av Graz-teamet i Avancerade material , som enligt Google Scholar är den internationellt sett viktigaste tidskriften inom materialforskningsområdet.

Manipulering av det energirika materiallandskapet

"Det grundläggande tillvägagångssättet för det elektrostatiska designkonceptet är att modifiera de elektroniska tillstånden för halvledare via det periodiska arrangemanget av dipolära grupper. På detta sätt kan vi lokalt manipulera energinivåer på ett kontrollerat sätt. Genom att göra det, vi försöker inte hitta sätt att kringgå sådana effekter som är oundvikliga, särskilt vid gränssnitt. Snarare, vi använder dem medvetet för våra egna syften, " förklarar Egbert Zojer.

Detta ämne har varit i fokus för Zojer-gruppens forskning redan ett tag. Det första steget var den elektrostatiska designen av molekylära monolager, till exempel på guldelektroder. Experiment har visat att de förutsagda energiskiftena inom lagren faktiskt äger rum och att laddningstransport genom monolager kan medvetet moduleras. Också, de elektroniska tillstånden för tvådimensionella material, som grafen, kan styras med hjälp av kollektiva elektrostatiska effekter. I publikationen i Avancerade material , doktorand Veronika Obersteiner, Egbert Zojer och andra kollegor från teamet visar konceptets fulla potential genom att utöka det till tredimensionella material.

"Till exempel tredimensionella kovalenta organiska nätverk, vi visar hur – med hjälp av kollektiva elektrostatiska effekter – energilandskapet inom tredimensionellt bulkmaterial kan manipuleras så att rumsligt begränsade vägar för elektroner och hål kan realiseras. På så sätt kan avgiftsbärare, till exempel, separeras och materialets elektroniska egenskaper kan utformas efter önskemål, säger Zojer.

Konceptet är särskilt intressant för solceller. I klassiska organiska solceller, kemiskt olika byggstenar, så kallade donatorer och acceptorer, används för att separera de fotogenererade elektron-hål-paren. I det tillvägagångssätt som föreslås här, den nödvändiga lokala förskjutningen av energinivåer uppstår på grund av det periodiska arrangemanget av polära grupper. De halvledande områdena på vilka elektronerna och hålen förskjuts är kemiskt identiska. "På det här sättet, vi kan kvasi-kontinuerligt och effektivt finjustera energinivåerna genom att variera dipoldensiteten. Detta arbete är klimaxen till vår intensiva forskning om elektrostatisk design av material, säger Zojer.

Elektrostatisk design i 3D-system kan också möjliggöra förverkligandet av komplexa kvantstrukturer, såsom kvant-kaskader och kvant-schackbräden. "Bara fantasin hos materialdesignern kan sätta gränser för vårt koncept, säger Zojer.