Organiska halvledare är en klass av material som kan användas i olika elektroniska enheter på grund av sina unika egenskaper. Ett attribut som påverkar de optoelektroniska egenskaperna hos dessa organiska halvledare är deras "excitonbindande energi", vilket är den energi som behövs för att dela upp en exciton i dess negativa och positiva beståndsdelar.
Eftersom höga bindningsenergier kan ha en betydande inverkan på funktionen hos optoelektroniska anordningar är låga bindningsenergier önskvärda. Detta kan hjälpa till att minska energiförlusterna i enheter som organiska solceller.
Även om flera metoder för att designa organiska material med låga bindningsenergier har undersökts, är det fortfarande en utmaning att noggrant mäta dessa energier, främst på grund av bristen på lämpliga energimätningstekniker.
Ett team av forskare under ledning av professor Hiroyuki Yoshida från Graduate School of Engineering vid Chiba University, Japan, har nu belyst excitonbindande energier hos organiska halvledare.
Deras studie publicerades online i The Journal of Physical Chemistry Letters . Ai Sugie från Graduate School of Engineering vid Chiba University, Dr. Kyohei Nakano och Dr. Keisuke Tajima från Center for Emergent Matter Science vid RIKEN, och Prof. Itaru Osaka från Institutionen för tillämpad kemi vid Hiroshima University var involverade med Prof. Yoshida genomförde denna studie.
Prof. Yoshida säger, "I den här studien avslöjades en tidigare oförutsägbar natur av excitonbindande energier i organiska halvledare. Med tanke på den grundläggande naturen hos vår forskning förväntar vi oss långsiktiga och bestående effekter, både synliga och osynliga, på verkligheten applikationer."
Teamet mätte först experimentellt excitonbindningsenergierna för 42 organiska halvledare inklusive 32 solcellsmaterial, sju organiska ljusemitterande diodmaterial och tre kristallina föreningar av pentacen.
För att beräkna excitonbindningsenergierna beräknade forskarna energiskillnaden mellan den bundna excitonen och dess "fria bärar"-tillstånd. Medan det förra ges av det "optiska gapet", kopplat till ljusabsorption och emission, ges det senare av "transportgapet", som betecknar den energi som behövs för att flytta en elektron från den högsta bundna energinivån till den lägsta fria energin nivå.
Experimentell bestämning av det optiska gapet involverade fotoluminescens- och fotoabsorptionsexperiment. Samtidigt beräknades transportgapet genom ultraviolett fotoelektronspektroskopi och lågenergi invers fotoelektronspektroskopi, en teknik som forskargruppen banat väg för.
Användningen av detta ramverk gjorde det möjligt för forskargruppen att bestämma excitonbindande energier med en hög precision på 0,1 elektronvolt (eV). Forskarna tror att denna precisionsnivå kan hjälpa till att diskutera excitonnaturen hos organiska halvledare med mycket högre tillförsikt än tidigare studier.
Dessutom observerade forskarna en oväntad aspekt av naturen hos excitonbindande energier. De fann att excitonbindningsenergin är en fjärdedel av transportbandgapet, oavsett vilket material som är involverat.
Resultaten av denna studie är inställda på att forma de grundläggande principerna för organisk optoelektronik och har även potentiella verkliga tillämpningar. Till exempel förväntas designprinciperna för att reglera organiska optoelektroniska enheter förändras positivt.
Med tanke på dessa fynds potential att påverka koncept inom området tror forskarna dessutom att dessa fynd sannolikt också kommer att ingå i framtida läroböcker.
Prof. Yoshida avslutade, "Vår studie bidrar till att främja den nuvarande förståelsen av mekanismen för excitoner i organiska halvledare. Dessutom är dessa koncept inte bara begränsade till organiska halvledare utan kan också tillämpas på ett brett spektrum av molekylärbaserade material, t.ex. som biorelaterat material."
Mer information: Ai Sugie et al, Dependence of Exciton Binding Energy on Bandgap of Organic Semiconductors, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02863
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry Letters
Tillhandahålls av Chiba University
