Kemister och polymerforskare som samarbetar vid University of Massachusetts Amherst rapporterar in Naturkommunikation denna vecka att de för första gången har identifierat en oväntad egenskap i en organisk halvledarmolekyl som kan leda till mer effektiva och kostnadseffektiva material för användning i mobiltelefoner och bärbara skärmar, till exempel, och i optoelektroniska enheter såsom lasrar, lysdioder och fiberoptisk kommunikation.

Fysikalisk kemist Michael Barnes och polymerforskaren Alejandro Briseño, med doktoranderna Sarah Marques, Hilary Thompson, Nicholas Colella och postdoktorn Joelle Labastide, upptäckte fastigheten, riktad egenladdningsseparation, i kristallina nanotrådar av en organisk halvledare känd som 7, 8, 15, 16-tetraazaterrylen (TAT).

Forskarna såg inte bara effektiv separation av avgifter i TAT, men en mycket specifik riktning som Barnes säger "är ganska användbar. Den ger kontroll, så vi är inte utlämnade till slumpmässiga rörelser, vilket är ineffektivt. Vår artikel beskriver en aspekt av den nanoskopiska fysiken inom individuella kristaller, en struktur som kommer att göra det lättare att använda denna molekyl för nya applikationer som i enheter som använder polariserat ljusinmatning för optisk omkoppling. Vi och andra kommer omedelbart att utnyttja denna riktning."

Han lägger till, "Att observera den inneboende laddningsseparationen händer inte i polymerer, så vitt vi vet händer det bara i denna familj av små organiska molekyler kristallina sammansättningar eller nanotrådar. När det gäller applikationer undersöker vi nu sätt att arrangera kristallerna i ett enhetligt mönster och därifrån kan vi slå på eller av saker beroende på optisk polarisation, till exempel."

Dock, UMass Amherst-teamet anser att fastigheten inte är en märklighet som är unik för detta material, men att flera material potentiellt delar det, gör upptäckterna inom TAT intressanta för en mängd olika forskare, säger Barnes. Liknande typer av observationer har noterats i pentacenkristaller, han noterar, som visar något liknande men utan riktning. I detta arbete stöds av U.S. Department of Energy och UMass Amhersts Center for Hierarchical Manufacturing, de föreslår att effekten kommer från en laddningsöverföringsinteraktion i molekylens laddningsledande nanotrådar som kan programmeras.

I den konventionella synen på att skörda solenergi med organiska eller kolbaserade organiska material, kemisten förklarar, forskare förstod att de organiska aktiva skikten som arbetar i enheter absorberar ljus, vilket leder till ett exciterat tillstånd känt som en exciton. I denna mekanism, excitonen migrerar till en gränssnittsgräns där den separeras i en positiv och negativ laddning, frigör spänningen för att användas som ström. "I denna uppfattning, du hoppas att ljuset absorberas väl så att överföringen blir effektiv, " han säger.

I tidigare arbeten, Barnes, Briseño och andra på UMass Amherst arbetade för att kontrollera domänstorleken på material för att matcha vad som troddes vara avståndet en exciton kan färdas under den tid det tar att stråla, han lägger till. "Allt detta bygger på idén om att mekanismen för laddningsseparering är yttre, att en extern drivkraft skiljer avgifterna åt, " konstaterar han. Målet hade varit att ta bort behovet av det gränssnittet."

Senast, Briseño och kollegor nådde en punkt i att syntetisera kristaller där deras polymerbaserade enheter inte presterade som de ville, berättar han. Briseño bad Barnes och kollegor att använda sina speciella mätinstrument för att undersöka. Barnes och kollegor hittade en strukturell defekt som Briseño kunde fixa. "Vi gav honom lite diagnostik för att förbättra deras kristalltillväxt, " säger Barnes.

"Från detta, vi märkte ledtrådar om att det var några mycket intressanta saker på gång, som ledde oss till upptäckten, Barnes tillägger. "Det är roligt när vetenskap fungerar på det sättet. Det var en mycket trevlig ömsesidigt fördelaktig relation."

"Vad naturen gav oss var något som verkligen var mycket rikare och mer intressant än något vi kunde ha förutsett. Vi trodde att det skulle bli kvalitativt likt tidigare observationer, kanske olika i kvantitativa detaljer, men den verkliga historien är mycket mer intressant. I detta material, de fann hur det packar kristaller ger upphov till sin egen separation, en inneboende egenskap hos det kristallina materialet."