Tänk dig att skriva ut elektroniska enheter med en enkel bläckstråleskrivare - eller till och med måla en solpanel på väggen i en byggnad.

Sådan teknik skulle sänka kostnaden för tillverkning av elektroniska enheter och möjliggöra nya sätt att integrera dem i vårt vardagsliv. Under de senaste två decennierna har en typ av material som kallas organiska halvledare, tillverkad av molekyler eller polymerer, har utvecklats för sådana ändamål. Men vissa egenskaper hos dessa material utgör ett stort hinder som begränsar deras utbredda användning.

"I dessa material, en elektron är vanligtvis bunden till sin motsvarighet, en saknad elektron som kallas 'hål', 'och kan inte röra sig fritt, "sa Wai-Lun Chan, docent i fysik och astronomi vid University of Kansas. "Så kallade" fria elektroner, 'som vandrar fritt i materialet och leder elektricitet, är sällsynta och kan inte genereras lätt genom ljusabsorption. Detta hindrar användningen av dessa organiska material i applikationer som solpaneler eftersom paneler byggda med dessa material ofta har dålig prestanda. "

På grund av detta problem, Chan sa att "frigöra elektronerna" har varit ett fokus för att utveckla organiska halvledare för solceller, ljussensorer och många andra optoelektroniska applikationer.

Nu, två fysikforskargrupper vid KU, ledd av Chan och Hui Zhao, professor i fysik och astronomi, har effektivt genererat fria elektroner från organiska halvledare i kombination med ett enda atomskikt molybdendisulfid (MoS ₂ ), en nyligen upptäckt tvådimensionell (2-D) halvledare.

Det införda 2-D-lagret gör att elektronerna kan fly från "hål" och röra sig fritt. Resultaten har just publicerats i Journal of American Chemical Society , en ledande tidskrift inom kemi och gränssnitt inom vetenskap.

Under de senaste åren, många forskare har undersökt hur gratis avgifter effektivt kan genereras från hybrid organiska 2-D-gränssnitt.

"Ett av de rådande antagandena är att fria elektroner kan genereras från gränssnittet så länge elektroner kan överföras från ett material till ett annat på en relativt kort tidsperiod-mindre än en biljondel av en sekund, "Sa Chan." Men mina doktorander Tika Kafle och Bhupal Kattel och jag har funnit att den ultrasnabba elektronöverföringen i sig inte är tillräcklig för att garantera generering av fria elektroner från ljusabsorptionen. Det beror på att "hålen" kan förhindra att elektronerna rör sig bort från gränssnittet. Om elektronen kan vara fri från denna bindande kraft beror på det lokala energilandskapet nära gränssnittet. "

Chan sa att elektronernas energilandskap kunde ses som en topografisk karta över ett berg.

"En vandrare väljer sin väg baserat på höjdkonturkartan, "sa han." På samma sätt elektronens rörelse vid gränssnittet mellan de två materialen styrs av elektronenergilandskapet nära gränssnittet. "

Chan och Zhaos resultat hjälper till att utveckla allmänna principer för hur man utformar "landskapet" för att frigöra elektronerna i sådana hybridmaterial.

Upptäckten gjordes genom att kombinera två mycket kompletterande experimentella verktyg baserade på ultrasnabba lasrar, tidsupplöst fotoemissionsspektroskopi i Chans laboratorium och övergående optisk absorption i Zhaos laboratorium. Båda experimentella inställningar finns i källaren i Integrated Science Building.

I det tidsupplösta fotoemissionsspektroskopi-experimentet, Kafle använde en ultrakort laserpuls som bara existerar i 10-kvadriljondelar (10-14) av en sekund för att utlösa elektronernas rörelse. Fördelen med att använda en så kort puls är att forskaren vet exakt starttiden för elektronens resa. Kafle använde sedan en annan ultrakort laserpuls för att träffa provet igen vid en exakt kontrollerad tid relativt den första pulsen. Denna andra puls är tillräckligt energisk för att sparka ut dessa elektroner från provet. Genom att mäta energin hos dessa elektroner (nu i ett vakuum) och använda principen för energibesparing, forskarna kunde räkna ut elektronernas energi innan de sparkades ut och därmed avslöja resan för dessa elektroner sedan de träffades av den första pulsen. Denna teknik löste energin hos de upphetsade elektronerna när den rör sig över gränssnittet efter ljusabsorptionen. Eftersom endast elektroner nära provets främre yta kan frigöras av den andra pulsen, elektronens position i förhållande till gränssnittet avslöjas också med atomprecision.

I de övergående optiska absorptionsmätningarna, Peng Yao (gäststudent) och KU -examen Peymon Zereshki, båda övervakade av Zhao, använde också en tvåpulsteknik, med den första pulsen som initierar elektronrörelsen på samma sätt. Dock, in their measurements, the second pulse does the trick of monitoring electrons by detecting the fraction of the second pulse that is reflected from the sample, instead of kicking out the electrons.

"Because light can penetrate a longer distance, the measurement can probe electrons in the entire depth of the sample and therefore provide complementary information to the first techniques that are more 'surface sensitive, '" Zhao said. "These detailed measurements enabled us to reconstruct the trajectory of the electron and determine conditions that enable the effective generation of free electrons."