Strålende glød af maling-on halvledere kommer fra udsmykkede kvantefysik

LED lys og skærme, og kvalitetssolpaneler blev født af en revolution inden for halvledere, der effektivt omdanner energi til lys eller omvendt. Nu, næste generation af halvledende materialer er i horisonten, og i en ny undersøgelse, forskere har afsløret excentrisk fysik bag deres potentiale til at transformere lysteknologi og solcelleanlæg igen.

At sammenligne kvanteegenskaberne af disse nye såkaldte hybridhalvledere med dem af deres etablerede forgængere er omtrent som at sammenligne Bolshoi Ballet med jumping jacks. Snurrende trupper af kvantepartikler bølger sig gennem de nye materialer, skabe, med lethed, meget ønskværdige optoelektroniske (let-elektroniske) egenskaber, ifølge et hold af fysiske kemikere ledet af forskere ved Georgia Institute of Technology.

De samme egenskaber er upraktiske at opnå i etablerede halvledere.

Partiklerne, der bevæger sig gennem disse nye materialer, engagerer også selve materialet i kvantehandlingen, beslægtet med dansere, der lokker gulvet til at danse med dem. Forskerne var i stand til at måle mønstre i materialet forårsaget af dansen og relatere dem til det nye materiales kvanteegenskaber og til den energi, der blev introduceret i materialet.

Disse indsigter kan hjælpe ingeniører med at arbejde produktivt med den nye klasse af halvledere.

Usædvanligt fleksible halvledere

Det nye materiales evne til at rumme forskelligartede, excentriske kvantepartikelbevægelser, analogt med danserne, er direkte relateret til dets usædvanlige fleksibilitet på molekylært niveau, analogt med dansegulvet, der går med i dansene. Derimod etablerede halvledere har stive, lige-snørede molekylære strukturer, der efterlader dansen til kvantepartikler.

Klassen af ​​hybride halvledere, som forskerne undersøgte, kaldes halogenid organisk-uorganisk perovskit (HOIP), som vil blive forklaret mere detaljeret nederst sammen med "hybrid" halvlederbetegnelsen, som kombinerer et krystalgitter - almindeligt i halvledere - med et lag af innovativt bøjeligt materiale.

Ud over deres løfte om unik udstråling og energieffektivitet, HOIPs er nemme at producere og anvende.

Mal dem på

"En overbevisende fordel er, at HOIP'er er lavet ved hjælp af lave temperaturer og behandlet i opløsning, sagde Carlos Silva, en professor ved Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. "Det kræver meget mindre energi at lave dem, og du kan lave store partier." Silva var med til at lede undersøgelsen sammen med Ajay Ram Srimath Kandada fra Georgia Tech og Istituto Italiano di Tecnologia.

Det kræver høje temperaturer at lave de fleste halvledere i små mængder, og de er stive at påføre på overflader, men HOIP'er kunne males på for at lave LED'er, lasere eller endda vinduesglas, der kunne gløde i enhver farve fra akvamarin til fuchsia. Belysning med HOIPs kan kræve meget lidt energi, og solpanelproducenter kunne øge solcelleanlæggets effektivitet og reducere produktionsomkostningerne.

Holdet ledet af Georgia Tech omfattede forskere fra Université de Mons i Belgien og Istituto Italiano di Tecnologia. Resultaterne blev offentliggjort den 14. januar, 2019, i journalen Naturmaterialer . Arbejdet blev finansieret af U.S. National Science Foundation, EU Horizon 2020, Canadas naturvidenskabelige og tekniske forskningsråd, Fond Québécois pour la Recherche, og det belgiske føderale videnskabspolitiske kontor.

Kvantespringstik

Halvledere i optoelektroniske enheder kan enten omdanne lys til elektricitet eller elektricitet til lys. Forskerne koncentrerede sig om processer forbundet med sidstnævnte:lysemission.

Tricket til at få et materiale til at udsende lys er, i store træk, at tilføre energi til elektroner i materialet, så de tager et kvantespring op fra deres baner omkring atomer og udsender den energi som lys, når de hopper tilbage til de baner, de havde forladt. Etablerede halvledere kan fange elektroner i områder af materialet, der strengt begrænser elektronernes bevægelsesområde, og derefter tilføre energi til disse områder for at få elektroner til at tage kvantespring i forening for at udsende nyttigt lys, når de hopper ned igen i forening.

"Dette er kvantebrønde, todimensionelle dele af materialet, der begrænser disse kvanteegenskaber for at skabe disse særlige lysemissionsegenskaber, " sagde Silva.

Imaginær partikelspænding

Der er en potentielt mere attraktiv måde at producere lyset på, og det er en kernestyrke ved de nye hybride halvledere.

En elektron har en negativ ladning, og en bane den forlader efter at være blevet exciteret af energi er en positiv ladning kaldet et elektronhul. Elektronen og hullet kan svinge rundt om hinanden og danne en slags imaginær partikel, eller kvasipartikel, kaldet en exciton.

"Den positiv-negative tiltrækning i en exciton kaldes bindingsenergi, og det er et meget højenergifænomen, hvilket gør den fantastisk til lysudsendelse, " sagde Silva.

Når elektronen og hullet genforenes, der frigiver bindingsenergien til at skabe lys. Men normalt, excitoner er meget svære at opretholde i en halvleder.

"De excitoniske egenskaber i konventionelle halvledere er kun stabile ved ekstremt kolde temperaturer, " sagde Silva. "Men i HOIPs er de excitoniske egenskaber meget stabile ved stuetemperatur."

Udsmykkede kvasipartikelsnurrer

Excitoner bliver frigjort fra deres atomer og bevæger sig rundt i materialet. Ud over, excitoner i en HOIP kan hvirvle rundt om andre excitoner, danner kvasipartikler kaldet biexcitoner. Og der er mere.

Excitoner spinder også rundt om atomer i materialets gitter. På samme måde som en elektron og et elektronhul skaber en exciton, denne drejning af excitonen omkring en atomkerne giver anledning til endnu en kvasipartikel kaldet en polaron. Al den handling kan resultere i, at excitoner går over til polaroner tilbage. Man kan endda tale om, at nogle excitoner antager en "polaronisk" nuance.

Forbinder al denne dynamik er det faktum, at HOIP'er er fulde af positivt og negativt ladede ioner. Udsmykningen af ​​disse kvantedanse har en overordnet effekt på selve materialet.

Bølgemønstre giver genlyd

Den usædvanlige deltagelse af atomer af materialet i disse danse med elektroner, excitons, biexcitoner og polaroner skaber gentagne fordybninger i nanoskala i materialet, der kan observeres som bølgemønstre, og som skifter og fluxer med mængden af ​​energi, der tilføres materialet.

"I en grundtilstand, disse bølgemønstre ville se ud på en bestemt måde, men med ekstra energi, excitonerne gør tingene anderledes. Det ændrer bølgemønstrene, og det er hvad vi måler, " sagde Silva. "Nøgleobservationen i undersøgelsen er, at bølgemønsteret varierer med forskellige typer excitoner (exciton, biexciton, polaronisk/mindre polaronisk)."

Fordybningerne griber også excitonerne, bremse deres mobilitet gennem materialet, og al denne udsmykkede dynamik kan påvirke kvaliteten af ​​lysudsendelsen.

Gummi-sandwich

Materialet, en halogenid organisk-uorganisk perovskit, er en sandwich af to uorganiske krystalgitterlag med noget organisk materiale imellem dem - hvilket gør HOIPs til et organisk-uorganisk hybridmateriale. Kvantehandlingen sker i krystalgitrene.

Det organiske lag derimellem er som et lag gummibånd, der gør krystalgitrene til et vaklende, men stabilt dansegulv. Også, HOIP'er er sat sammen med mange ikke-kovalente bindinger, gør materialet blødt.

Individuelle enheder af krystallen har en form kaldet perovskit, som er en meget jævn diamantform, med et metal i midten og halogener såsom klor eller jod i punkterne, således "halogenid". Til denne undersøgelse, forskerne brugte en 2-D prototype med formlen (PEA)2PbI4.