LED-lampor och monitorer, och kvalitetssolpaneler föddes ur en revolution inom halvledare som effektivt omvandlar energi till ljus eller vice versa. Nu, nästa generations halvledande material är vid horisonten, och i en ny studie, forskare har avslöjat excentrisk fysik bakom deras potential att förvandla ljusteknik och solceller ännu en gång.

Att jämföra kvantegenskaperna hos dessa framväxande så kallade hybridhalvledare med de hos deras etablerade föregångare är ungefär som att jämföra Bolsjojbaletten med hoppknektar. Virvlande trupper av kvantpartiklar vågar sig genom de framväxande materialen, skapande, lätt, mycket önskvärda optoelektroniska (ljuselektroniska) egenskaper, enligt ett team av fysikaliska kemister ledda av forskare vid Georgia Institute of Technology.

Samma egenskaper är opraktiska att uppnå i etablerade halvledare.

Partiklarna som rör sig genom dessa nya material engagerar också själva materialet i kvantverkan, liknande dansare som lockar golvet att dansa med dem. Forskarna kunde mäta mönster i materialet som orsakats av dansen och relatera dem till det framväxande materialets kvantegenskaper och till energi som infördes i materialet.

Dessa insikter kan hjälpa ingenjörer att arbeta produktivt med den nya klassen av halvledare.

Ovanligt flexibla halvledare

Det framväxande materialets förmåga att hysa olika, excentriska kvantpartikelrörelser, analogt med dansarna, är direkt relaterad till dess ovanliga flexibilitet på molekylär nivå, analogt med dansgolvet som går med i danserna. Däremot etablerade halvledare har stela, raksnörade molekylära strukturer som lämnar dansen till kvantpartiklar.

Klassen av hybridhalvledare som forskarna undersökte kallas halid organisk-oorganisk perovskit (HOIP), som kommer att förklaras mer i detalj längst ner tillsammans med "hybrid" halvledarbeteckningen, som kombinerar ett kristallgitter – vanligt i halvledare – med ett lager av innovativt böjligt material.

Utöver deras löfte om unik utstrålning och energieffektivitet, HOIPs är lätta att tillverka och applicera.

Måla dem på

"En övertygande fördel är att HOIPs tillverkas med låga temperaturer och bearbetas i lösning, sa Carlos Silva, professor vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry. "Det tar mycket mindre energi att göra dem, och du kan göra stora partier." Silva ledde studien tillsammans med Ajay Ram Srimath Kandada från Georgia Tech och Istituto Italiano di Tecnologia.

Det krävs höga temperaturer för att göra de flesta halvledare i små mängder, och de är styva att applicera på ytor, men HOIPs kunde målas på för att göra lysdioder, laser eller till och med fönsterglas som kan lysa i alla färger från akvamarin till fuchsia. Belysning med HOIP kan kräva mycket lite energi, och tillverkare av solpaneler skulle kunna öka solcellers effektivitet och minska produktionskostnaderna.

Teamet ledd av Georgia Tech inkluderade forskare från Université de Mons i Belgien och Istituto Italiano di Tecnologia. Resultaten publicerades den 14 januari, 2019, i journalen Naturmaterial . Arbetet finansierades av U.S. National Science Foundation, EU Horizon 2020, Kanadas naturvetenskapliga och tekniska forskningsråd, Fond Québécois pour la Recherche, och det belgiska federala vetenskapspolitiska kontoret.

Quantum jumping jacks

Halvledare i optoelektroniska enheter kan antingen omvandla ljus till elektricitet eller elektricitet till ljus. Forskarna koncentrerade sig på processer kopplade till det senare:ljusemission.

Tricket för att få ett material att avge ljus är, i stort sett, att applicera energi på elektroner i materialet, så att de tar ett kvantsprång upp från sina banor runt atomer och avger sedan den energin som ljus när de hoppar tillbaka ner till banorna de hade lämnat. Etablerade halvledare kan fånga elektroner i områden av materialet som strikt begränsar elektronernas rörelseomfång och sedan applicera energi på dessa områden för att få elektroner att göra kvantsprång unisont för att avge användbart ljus när de hoppar tillbaka ner unisont.

"Det här är kvantbrunnar, tvådimensionella delar av materialet som begränsar dessa kvantegenskaper för att skapa dessa speciella ljusemissionsegenskaper, sa Silva.

Imaginär partikelspänning

Det finns ett potentiellt mer attraktivt sätt att producera ljuset, och det är en kärnstyrka hos de nya hybridhalvledarna.

En elektron har en negativ laddning, och en bana som den lämnar efter att ha blivit exciterad av energi är en positiv laddning som kallas ett elektronhål. Elektronen och hålet kan snurra runt varandra och bilda en slags imaginär partikel, eller kvasipartikel, kallas exciton.

"Den positiv-negativa attraktionen i en exciton kallas bindningsenergi, och det är ett fenomen med mycket hög energi, vilket gör den utmärkt för ljusavgivning, sa Silva.

När elektronen och hålet återförenas, som frigör bindningsenergin för att göra ljus. Men vanligtvis, excitoner är mycket svåra att underhålla i en halvledare.

"De excitoniska egenskaperna i konventionella halvledare är endast stabila vid extremt kalla temperaturer, ", sa Silva. "Men i HOIPs är de excitoniska egenskaperna mycket stabila vid rumstemperatur."

Utsmyckade kvasipartikel snurrande

Excitoner frigörs från sina atomer och rör sig runt materialet. Dessutom, excitoner i en HOIP kan virvla runt andra excitoner, bildar kvasipartiklar som kallas biexcitoner. Och det finns mer.

Excitoner snurrar också runt atomer i materialgittret. På samma sätt som en elektron och ett elektronhål skapar en exciton, denna virvling av excitonen runt en atomkärna ger upphov till ytterligare en kvasipartikel som kallas en polaron. All den handlingen kan resultera i att excitoner övergår till polaroner tillbaka. Man kan till och med tala om att vissa excitoner antar en "polaronisk" nyans.

Det faktum att HOIP:er är fulla av positivt och negativt laddade joner, förenar all denna dynamik. Utsmyckningen i dessa kvantdanser har en övergripande effekt på själva materialet.

Vågmönster ger resonans

Det ovanliga deltagandet av atomer av materialet i dessa danser med elektroner, excitoner, biexcitoner och polaroner skapar repetitiva nanoskaliga fördjupningar i materialet som är observerbara som vågmönster och som skiftar och flödar med mängden energi som tillförs materialet.

"I ett marktillstånd, dessa vågmönster skulle se ut på ett visst sätt, men med extra energi, excitonerna gör saker annorlunda. Det förändrar vågmönstren, och det är vad vi mäter, ", sa Silva. "Nyckelobservationen i studien är att vågmönstret varierar med olika typer av excitoner (exciton, biexciton, polaronic/mindre polaronic)."

Fördjupningarna griper också excitonerna, bromsa deras rörlighet genom materialet, och all denna utsmyckade dynamik kan påverka kvaliteten på ljusemissionen.

Gummibandsmacka

Materialet, en halogenid organisk-oorganisk perovskit, är en sandwich av två oorganiska kristallgitterlager med något organiskt material mellan dem – vilket gör HOIPs till ett organiskt-oorganiskt hybridmaterial. Kvantverkan sker i kristallgittren.

Det organiska lagret däremellan är som ett gummiband som gör kristallgallren till ett vingligt men stabilt dansgolv. Också, HOIPs sätts ihop med många icke-kovalenta bindningar, gör materialet mjukt.

Individuella enheter av kristallen har en form som kallas perovskit, som har en mycket jämn diamantform, med en metall i mitten och halogener som klor eller jod i punkterna, alltså "halid". För denna studie, forskarna använde en 2D-prototyp med formeln (PEA)2PbI4.