Organiska material, som de som finns i plastelektronik och organiska solceller, kan användas som halvledare precis som kisel och andra oorganiska material. Deras halvledande egenskaper dikteras av hur deras molekyler är ordnade och hur de rör sig i materialet.
Det är välkänt att energin från molekylära vibrationer i organiska material är en viktig faktor för att bestämma deras termiska och elektroniska egenskaper. Det är dock inte känt i vilken utsträckning dessa molekylära vibrationers kvantkaraktär påverkar dessa egenskaper.
Forskarna i Mainz visade att kvanteffekter kan göra att de molekylära vibrationerna blir "frusna" vid tillräckligt låga temperaturer. Detta fenomen, känt som kvantfrysning, har observerats tidigare, men bara i ett fåtal specifika molekylära system.
Deras mål var att undersöka kvantfrysningsbeteendet i ett bredare utbud av organiska material. "Det är först då som meningsfulla förutsägelser kan göras om i vilken utsträckning kvantfenomen påverkar egenskaperna hos dessa organiska material," förklarade Biermann.
För att uppnå detta mål använde forskarna högupplösta röntgenspridningsmetoder för att exakt bestämma strukturen hos de organiska materialen. Mätningarna utfördes vid PETRA III-lagringsringen vid German Electron Synchrotron (DESY) i Hamburg.
"Tack vare den höga briljansen och fokuserbarheten hos röntgenstrålarna kunde vi bestämma molekylstrukturerna i detalj, även vid extremt låga temperaturer", säger Daniel Tsivion, Ph.D. elev i Biermanns grupp.
För att analysera data samarbetade forskarna med Matthias Schmidt vid MPI-P i Mainz. De utvecklade sofistikerade datorsimuleringar, som kan reproducera materialets struktur och simulera dynamiken hos molekylerna inuti.
Den kombinerade användningen av högupplösta röntgenexperiment och datorsimuleringar visade att kvantfrysning är ett utbrett fenomen i organiska material, som förekommer i en mängd olika klasser av föreningar. Detta fynd är betydelsefullt eftersom det betyder att kvanteffekter måste beaktas när man designar och förutsäger egenskaperna hos organiska halvledarmaterial - material som är en del av framstegen inom organisk elektronik och organiska solceller.
Forskargruppen planerar nu att ytterligare utforska kvanteffekter i organiska material, i syfte att förstå hur dessa fenomen kan utnyttjas för att förbättra prestanda och effektivitet hos organiska elektroniska och optoelektroniska enheter.
