En kolumn av flytande kristallmolekyler kan utgöra grunden för en ny sort av flexibla ljusdetektorer som har ultrasnabba svar, ett all-RIKEN-team har demonstrerat.

Konventionella solceller och ljusdetektorer är baserade på den fotovoltaiska effekten – ett fenomen där ljus genererar ledningselektroner och deras positiva motsvarigheter, hål, i en halvledare. De består av ett material som donerar elektroner och ett material som tar emot dem. Elektroner och hål dras isär vid gränssnittet, vilket resulterar i generering av en elektrisk ström.

Men en annan effekt, känd som bulk fotovoltaisk effekt, kan generera en ström genom att använda bara en typ av material. Den reagerar också mycket snabbt på ljus och genererar en mycket konstant ström. Dessa fördelar kan leda till en ny generation solceller och ljusdetektorer.

Den solcellseffekten i bulk har huvudsakligen studerats i oorganiska material eftersom den endast förekommer i kristaller som saknar ett centrum för inversionssymmetri, vilket utesluter de flesta organiska material. Men organiska föreningar erbjuder fördelar som flexibilitet och förmågan att enkelt ställa in den våglängd vid vilken bulk soleffekten uppstår.

"Den bulk solcellseffekten observeras endast i polar, icke-centrosymmetriska material, men organiska material tenderar att företrädesvis bilda opolära, centrosymmetriska kristaller, " förklarar Daigo Miyajima från RIKEN Center for Emergent Matter Science. "Därför, vi var tvungna att hitta ett sätt att bryta denna symmetri."

Tidigare, Miyajima och några medarbetare hade gjort en flytande kristallkolonn bestående av solfjäderformade molekyler staplade på varandra där symmetrin bröts av vätebindningar mellan amidgrupper. Men det absorberade ljus endast i det ultravioletta området.

Nu, genom att mixtra med sammansättningen av basmolekylen i denna organiska flytande kristall, forskarna har lyckats observera den bulkfotovoltaiska effekten i den kolumnformade flytande kristallen över ett brett våglängdsområde, som når upp till röda våglängder i det synliga spektrumet.

Även om molekylerna spontant bildar symmetriska sammansättningar, forskarna visade att symmetrin kan brytas genom att helt enkelt applicera ett elektriskt fält. De fann att under detta tillstånd hoppade strömmen i den flytande kristallen med cirka 6, 600 gånger när ljus sken på den. Detta liknar svaret från ljusdetektorer baserat på den konventionella fotovoltaiska effekten, men det skulle kunna realiseras i en enhet som har en mycket enklare struktur.

Teamet försöker nu göra enheter på flexibla substrat. "Eftersom vårt material är en flytande kristall, det tål att böjas eller sträckas, " konstaterar Miyajima.