Vissa nya material som låter för bra för att vara sanna visar sig vara sanna och bra. En framväxande klass av halvledare, som skulle kunna lysa upp vår framtid med nyanserade färger som härrör från lasrar, lampor, och till och med fönsterglas, kan vara det senaste exemplet.

Dessa material är mycket strålande, lätt att bearbeta från lösning, och energieffektiva. Den tjatiga frågan om huruvida hybridorganiska-oorganiska perovskiter (HOIPs) verkligen kunde fungera fick precis ett mycket jakande svar i en ny internationell studie som leds av fysikaliska kemister vid Georgia Institute of Technology.

Forskarna observerade i en HOIP en "rikedom" av halvledande fysik skapad av vad som kan beskrivas som elektroner som dansar på kemiska underlag som vinglar som ett golvhus i en jordbävning. Det kostar konventionell visdom eftersom etablerade halvledare förlitar sig på starkt stabila kemiska fundament, det vill säga, tystare molekylära ramverk, för att producera önskade kvantegenskaper.

"Vi vet ännu inte hur det fungerar att ha dessa stabila kvantegenskaper i denna intensiva molekylrörelse, "sa författaren Felix Thouin, en forskarassistent vid Georgia Tech. "Det trotsar fysikmodeller vi måste försöka förklara det. Det är som att vi behöver lite ny fysik."

Kvantegenskaper överraskar

Deras rörande virrvarr har gjort HOIPs utmanande att undersöka, men forskargruppen från totalt fem forskningsinstitut i fyra länder lyckades mäta ett prototypiskt HOIP och fann dess kvantegenskaper i nivå med etablerade, molekylärt styva halvledare, varav många är grafenbaserade.

"Egenskaperna var minst lika bra som i dessa material och kan vara ännu bättre, "sa Carlos Silva, professor i Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. Inte alla halvledare absorberar och avger också bra ljus, men HOIPs gör det, gör dem optoelektroniska och därmed potentiellt användbara i lasrar, Lysdioder, andra belysningstillämpningar, och även inom solceller.

Bristen på styvhet på molekylär nivå i HOIP spelar också in på att de produceras och appliceras mer flexibelt.

Silva ledde studien tillsammans med fysikern Ajay Ram Srimath Kandada. Deras team publicerade resultaten av sin studie om tvådimensionella HOIPs den 8 mars, 2018, i tidningen Material för fysisk granskning . Deras forskning finansierades av EU Horizon 2020, naturvetenskapliga och tekniska forskningsrådet i Kanada, Fond Québécois pour la Recherche, forskningsrådet i Kanada, och National Research Foundation of Singapore.

'Lösningslösningen'

Vanligen, halvledande egenskaper uppstår från statiska kristallina gitter av snyggt sammankopplade atomer. I kisel, till exempel, som används i de flesta kommersiella solceller, de är sammankopplade kiselatomer. Samma princip gäller för grafenliknande halvledare.

"Dessa gitter är strukturellt sett inte särskilt komplexa, "Silva sa." De är bara en atom tunn, och de har strikta tvådimensionella egenskaper, så de är mycket styvare. "

"Du begränsar kraftfullt dessa system till två dimensioner, "sa Srimath Kandada, som är Marie Curie International Fellow vid Georgia Tech och Italian Institute of Technology. "Atomerna är arrangerade i oändligt expansiva, Plana lakan, och sedan dyker dessa mycket intressanta och önskvärda optoelektroniska egenskaper upp. "

Dessa beprövade material imponerar. Så, varför driva HOIP, förutom att utforska deras förvirrande fysik? För de kan vara mer praktiska på viktiga sätt.

"En av de övertygande fördelarna är att de alla är tillverkade med lågtemperaturbearbetning från lösningar, "Silva sa." Det tar mycket mindre energi att göra dem. "

Däremot, grafenbaserade material produceras vid höga temperaturer i små mängder som kan vara tråkiga att arbeta med. "Med dessa saker (HOIPs), du kan göra stora omgångar i lösning och belägga ett helt fönster med det om du vill, Sa Silva.

Roligt hus i en jordbävning

För alla en HOIP's wobbling, Det är också ett mycket ordnat galler med sin egen typ av styvhet, men mindre begränsande än i vanliga tvådimensionella material.

"Det är inte bara ett enda lager, "Srimath Kandada sa." Det finns en mycket specifik perovskitliknande geometri. "Perovskite hänvisar till formen på ett HOIPs kristallgitter, som är en skiktad ställning.

"Gitteret monteras själv, "Srimath Kandada sa, "och det gör det i en tredimensionell stapel gjord av lager av tvådimensionella ark. Men HOIPs bevarar fortfarande de önskvärda 2D-kvantegenskaperna."

Dessa ark hålls samman av varviga lager av en annan molekylstruktur som är lite som ett ark med gummiband. Det får ställningen att vifta som ett golv i ett lusthus.

"Vid rumstemperatur, molekylerna viftar överallt. Det stör gitteret, där elektronerna lever. Det är riktigt intensivt, "Silva sa." Men överraskande nog, kvantegenskaperna är fortfarande riktigt stabila. "

Att ha kvantegenskaper arbetar vid rumstemperatur utan att behöva ultrakylning är viktigt för praktisk användning som halvledare.

Återgå till vad HOIP står för - hybrid organiska -oorganiska perovskiter - så här passade experimentmaterialet in i HOIP -kemiklassen:Det var en hybrid av oorganiska lager av en blyjodid (den styva delen) åtskilda av organiska lager (gummit bandliknande delar) av fenyletylammonium (kemisk formel (PEA) 2PbI4).

Ledningen i detta prototypiska material kan bytas ut mot en metall som är säkrare för människor att hantera innan utvecklingen av ett tillämpligt material.

Elektronkoreografi

HOIPs är bra halvledare eftersom deras elektroner gör en akrobatisk fyrkantdans.

Vanligtvis, elektroner lever i en bana runt atomkärnan eller delas av atomer i en kemisk bindning. Men HOIP kemiska gitter, som alla halvledare, är konfigurerade för att dela elektroner bredare.

Energinivåer i ett system kan frigöra elektronerna att springa runt och delta i saker som flödet av el och värme. Banorna, som sedan är tomma, kallas elektronhål, och de vill ha tillbaka elektronerna.

"Hålet ses som en positiv laddning, och naturligtvis, elektronen har en negativ laddning, "Silva sa." Så, hål och elektron lockar varandra. "

Elektronerna och hålen springer runt varandra som danspartners som kopplar ihop med vad fysiker kallar en "exciton". Excitons agerar och ser mycket ut som partiklar själva, fast de är inte riktigt partiklar.

Hoppa biexciton ljus

I halvledare, miljontals excitoner är korrelerade, eller koreograferat, med varandra, vilket ger önskvärda egenskaper, när en energikälla som el eller laserljus appliceras. Dessutom, excitoner kan para ihop för att bilda biexcitoner, öka halvledarens energiska egenskaper.

"I detta material, vi fann att biexcitonbindningsenergierna var höga, "Silva sa." Det är därför vi vill lägga detta i lasrar eftersom energin du matar in slutar upp till 80 eller 90 procent som biexcitoner. "

Biexcitons stöter upp energiskt för att absorbera ingångsenergi. Sedan drar de ihop sig energiskt och pumpar ut ljus. Det skulle fungera inte bara i lasrar utan även i lysdioder eller andra ytor med optoelektroniskt material.

"Du kan justera kemin (för HOIP) för att styra bredden mellan biexciton -tillstånd, och som styr våglängden för det avgivna ljuset, "Silva sa." Och justeringen kan vara mycket bra för att ge dig ljusets våglängd. "

Det översätts till vilken ljusfärg som hjärtat önskar.