Från solpaneler på våra tak till de nya OLED-TV-skärmarna, många vanliga elektroniska enheter skulle helt enkelt inte fungera utan interaktionen mellan ljus och materialen som utgör halvledare. En ny kategori av halvledare är baserad på organiska molekyler, som till stor del består av kol, såsom buckminsterfulleren.
Hur organiska halvledare fungerar bestäms till stor del av deras beteende under de första ögonblicken efter att ljus exciterar elektroner och bildar "excitoner" i materialet.
Forskare från universiteten i Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau och Grenoble-Alpes har nu för första gången gjort mycket snabba och mycket exakta bilder av dessa excitoner – faktiskt exakta till en kvadrilliondels sekund och en miljarddels av en meter. Denna förståelse är väsentlig för att utveckla mer effektiva material med organiska halvledare. Resultaten publicerades i Nature Communications.
När ljus träffar ett material absorberar vissa elektroner energin, och detta försätter dem i ett exciterat tillstånd. I organiska halvledare, som de som används i OLED, är interaktionen mellan sådana exciterade elektroner och överblivna "hål" mycket stark, och elektroner och hål kan inte längre beskrivas som individuella partiklar. Istället kombineras negativt laddade elektroner och positivt laddade hål för att bilda par, så kallade excitoner.
Att förstå de kvantmekaniska egenskaperna hos dessa excitoner i organiska halvledare har länge ansetts vara en stor utmaning – både ur teoretisk och experimentell synvinkel.
Den nya metoden belyser detta pussel. Wiebke Bennecke, fysiker vid universitetet i Göttingen och första författare till studien, förklarar, "Med vårt fotoemissionselektronmikroskop kan vi inse att de attraktionskrafter som finns i excitonerna väsentligt förändrar deras energi- och hastighetsfördelning. Vi mäter förändringarna med extremt hög upplösning i både tid och rum och jämför dem med kvantmekanikens teoretiska förutsägelser."
Forskarna hänvisar till denna nya teknik som photoemission exciton tomography. Teorin bakom det utvecklades av ett team ledd av professor Peter Puschnig vid universitetet i Graz.
Denna nya teknik gör det möjligt för forskare att för första gången både mäta och visualisera excitonernas kvantmekaniska vågfunktion. Enkelt uttryckt beskriver vågfunktionen tillståndet för en exciton och bestämmer dess sannolikhet att vara närvarande.
Dr Matthijs Jansen, Göttingen University, förklarar betydelsen av fynden, "Den organiska halvledaren som vi studerade var buckminsterfulleren, som består av ett sfäriskt arrangemang av 60 kolatomer. Frågan var om en exciton alltid skulle vara lokaliserad på en enda molekyl eller om det skulle kunna fördelas över flera molekyler samtidigt. Denna egenskap kan ha en stor inverkan på effektiviteten hos halvledare i solceller."
Fotoemissionsexcitontomografi ger svaret:omedelbart efter att excitonen genereras av ljus, fördelas den över två eller flera molekyler. Men inom några femtosekunder, vilket betyder på en liten bråkdel av en sekund, krymper excitonen tillbaka till en enda molekyl.
I framtiden vill forskarna registrera excitonernas beteende med den nya metoden. Enligt professor Stefan Mathias, Göttingen universitet, har detta potential, "Vi vill till exempel se hur molekylers relativa rörelse påverkar dynamiken hos excitoner i ett material. Dessa undersökningar kommer att hjälpa oss att förstå energiomvandlingsprocesser i organiska halvledare. Och vi hoppas att denna kunskap kommer att bidra till utvecklingen av effektivare material för solceller."
Mer information: Wiebke Bennecke et al, Disentangling the multiorbital bidrag of excitons by photoemission exciton tomography, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45973-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av universitetet i Göttingen
