Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Organiska halvledare är en framväxande klass av material för opto-elektroniska enheter som solceller och organiska lysdioder. Som ett resultat är det viktigt att anpassa materialegenskaperna för specifika krav som effektiv ljusabsorption och emission, lång livslängd för exciterade tillstånd eller mer exotiska egenskaper (som singlet fission). En av fördelarna med dessa organiska halvledare jämfört med konventionella oorganiska halvledare är att genom att ändra designen av molekylerna kan många olika egenskaper genereras. För sin Ph.D. forskning, utforskade Anton Berghuis förändrade materialegenskaper med hjälp av ljus.
Framsteg inom nanotillverkningstekniker möjliggjorde strukturering av materia på skalan av ljusets våglängd. Genom att göra det kan interaktionen mellan ljus och materia förbättras, vilket leder till intressanta nya egenskaper.
I sin Ph.D. forskning designade Anton Berghuis och hans medarbetare en nanostruktur bestående av silvernanopartiklar placerade i ett rektangulärt gitter så att kaviteten stöder resonanser i den optiska regimen. När den optiska resonansen ställs in på excitonenergin i en organisk halvledare kan ljuset i kaviteten och excitonen interagera när halvledaren placeras ovanpå kaviteten.
När denna interaktion är starkare än genomsnittet av förlusterna av excitonen och kaviteten, resulterar interaktionen i en hybridisering av exciton- och kavitetsmoden och vi talar om den starka kopplingsregimen. Hybridiseringen beskrivs genom införandet av en kvasipartikel som kallas exciton-polariton, med egenskaper för både excitonen och fotonerna i kaviteten.
Tre upptäckter
Berghuis har gjort tre upptäckter relaterade till denna interaktion mellan ljus och materia. Först visade han att det är möjligt att justera interaktionsstyrkan mellan kaviteten och molekylerna genom att välja orienteringen av molekylerna i kaviteten. Detta möjliggjorde modifiering av absorptions- och emissionsspektra för det kopplade systemet.
För det andra observerade Berghuis att tetracenmolekyler i kaviteten avgav mer ljus och avgav ljuset under en längre tidsperiod. Även om signalen var en faktor 4 högre än utanför kaviteten var den totala emissionen fortfarande mycket låg. Fenomenet är dock mycket intressant och bör undersökas vidare. Om emissionseffektiviteten kan förbättras ytterligare, skulle denna design kunna tillämpas i organiska lysdioder (OLED).
Sist undersökte han transportlängden för de kopplade exciton-polaritonerna, vilket är en mycket viktig egenskap för material som används i organiska solceller. Forskningen visade att excitonpolaritonerna i kaviteten reste upp till 100 gånger längre jämfört med okopplade excitoner. Detta är ett mycket lovande resultat, men framtida forskning bör undersöka om dessa förökade excitonpolaritoner (som delvis har en fotonisk karaktär) kan överföras till andra molekyler. Om överföringen av excitonpolaritonerna till andra molekyler verkligen är effektiv, öppnar detta för möjligheten att förbättra designen av organiska solceller, vilket kan resultera i en längre livslängd för solcellerna utan att förlora effektivitet.
Titel på Ph.D. avhandling:"Strong Light-Matter Coupling in Organic Crystals." Handledare:Jaime Gómez Rivas och Alberti González Curto. + Utforska vidare
