En fremtid, der farverigt lyser op af mystificerende fysik i paint-on halvledere

Nogle nye materialer, der lyder for godt til at være sandt, viser sig at være sande og gode. En ny klasse af halvledere, som på en overkommelig måde kunne oplyse vores fremtid med nuancerede farver, der stammer fra lasere, lamper, og endda vinduesglas, kunne være det seneste eksempel.

Disse materialer er meget strålende, let at behandle fra løsning, og energieffektive. Det nagende spørgsmål om, hvorvidt hybrid organisk-uorganiske perovskitter (HOIP'er) virkelig kunne fungere, fik netop et meget bekræftende svar i en ny international undersøgelse ledet af fysikere ved Georgia Institute of Technology.

Forskerne observerede i en HOIP en "rigdom" af halvledende fysik skabt af, hvad der kunne beskrives som elektroner, der dansede på kemiske underlag, der vakler som et funhouse -gulv i et jordskælv. Det giver traditionel visdom, fordi etablerede halvledere er afhængige af stift stabile kemiske fundamenter, det vil sige, roligere molekylære rammer, at producere de ønskede kvanteegenskaber.

"Vi ved endnu ikke, hvordan det fungerer at have disse stabile kvanteegenskaber i denne intense molekylære bevægelse, "sagde første forfatter Felix Thouin, uddannet forskningsassistent hos Georgia Tech. "Det trodser fysikmodeller, vi skal prøve at forklare det. Det er som om vi har brug for noget ny fysik."

Quantum egenskaber overrasker

Deres rystende virvar har gjort HOIPs udfordrende at undersøge, men teamet af forskere fra i alt fem forskningsinstitutter i fire lande lykkedes med at måle en prototypisk HOIP og fandt dens kvanteegenskaber på niveau med de etablerede, molekylært stive halvledere, hvoraf mange er grafenbaserede.

"Egenskaberne var mindst lige så gode som i disse materialer og kan være endnu bedre, sagde Carlos Silva, en professor ved Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. Ikke alle halvledere absorberer og udsender også godt lys, men det gør HOIPs, gør dem optoelektroniske og dermed potentielt nyttige i lasere, Lysdioder, andre belysningsapplikationer, og også inden for solcelleanlæg.

Manglen på stivhed på molekylært niveau i HOIP'er spiller også ind på, at de bliver mere fleksibelt produceret og anvendt.

Silva ledede undersøgelsen sammen med fysikeren Ajay Ram Srimath Kandada. Deres hold offentliggjorde resultaterne af deres undersøgelse om todimensionelle HOIPs den 8. marts, 2018, i journalen Materialer til fysisk gennemgang . Deres forskning blev finansieret af EU Horizon 2020, Canadas naturvidenskabelige og tekniske forskningsråd, Fond Québécois pour la Recherche, Canadas forskningsråd, og National Research Foundation of Singapore.

'Løsningen'

Almindeligvis halvledende egenskaber stammer fra statiske krystallinske gitter af pænt sammenkoblede atomer. I silicium, for eksempel, som bruges i de fleste kommercielle solceller, de er indbyrdes forbundne siliciumatomer. Det samme princip gælder for grafenlignende halvledere.

"Disse gitter er strukturelt set ikke særlig komplekse, "Sagde Silva." De er kun et atom tynde, og de har strenge todimensionelle egenskaber, så de er meget mere stive. "

"Du begrænser kraftigt disse systemer til to dimensioner, "sagde Srimath Kandada, som er Marie Curie International stipendiat hos Georgia Tech og Italian Institute of Technology. "Atomer er arrangeret i uendeligt ekspansiv, flade ark, og så dukker disse meget interessante og ønskelige optoelektroniske egenskaber op. "

Disse gennemprøvede materialer imponerer. Så, hvorfor forfølge HOIPs, undtagen for at udforske deres forbløffende fysik? Fordi de kan være mere praktiske på vigtige måder.

"En af de overbevisende fordele er, at de alle er fremstillet ved hjælp af lavtemperaturbehandling fra løsninger, " sagde Silva. "Det kræver meget mindre energi at lave dem."

Derimod, grafenbaserede materialer produceres ved høje temperaturer i små mængder, der kan være kedelige at arbejde med. "Med disse ting (HOIP'er), du kan lave store partier i opløsning og belægge et helt vindue med det, hvis du vil, "Sagde Silva.

Sjovhus i et jordskælv

For alle en HOIP's vaklen, det er også et meget ordnet gitter med sin egen form for stivhed, dog mindre begrænsende end i de sædvanlige todimensionelle materialer.

"Det er ikke bare et enkelt lag, "Srimath Kandada sagde." Der er en meget specifik perovskitlignende geometri. "Perovskite refererer til formen af ​​et HOIPs krystalgitter, som er et lagdelt stillads.

"Gitteret samler sig selv, "Srimath Kandada sagde, "og det gør det i en tredimensionel stak lavet af lag af todimensionelle ark. Men HOIP'er bevarer stadig de ønskværdige 2D-kvanteegenskaber."

Disse ark holdes sammen af ​​indskudte lag af en anden molekylær struktur, der er lidt som et lag gummibånd. Det får stilladset til at vrikke som et sjovgulv.

"Ved stuetemperatur, molekylerne vrikker over det hele. Det forstyrrer gitteret, hvor elektronerne lever. Det er virkelig intenst, "Sagde Silva." Men overraskende nok, kvanteegenskaberne er stadig virkelig stabile. "

At lade kvanteegenskaber arbejde ved stuetemperatur uden at kræve ultrakøling er vigtigt for praktisk brug som halvleder.

Går vi tilbage til, hvad HOIP står for - hybrid organisk -uorganisk perovskitter - sådan passede forsøgsmaterialet ind i HOIP -kemiklassen:Det var en hybrid af uorganiske lag af et blyjodid (den stive del) adskilt af organiske lag (gummiet båndlignende dele) af phenylethylammonium (kemisk formel (PEA)2PbI4).

Blyet i dette prototypemateriale kan byttes ud til et metal, der er sikrere for mennesker at håndtere, før udviklingen af ​​et anvendeligt materiale.

Elektron koreografi

HOIP'er er gode halvledere, fordi deres elektroner laver en akrobatisk firkantdans.

Som regel, elektroner lever i en kredsløb omkring atomets kerne eller deles af atomer i en kemisk binding. Men HOIP kemiske gitter, ligesom alle halvledere, er konfigureret til at dele elektroner mere bredt.

Energiniveauer i et system kan frigøre elektronerne til at løbe rundt og deltage i ting som strømmen af ​​elektricitet og varme. Banerne, som så er tomme, kaldes elektronhuller, og de vil have elektronerne tilbage.

"Hullet er tænkt som en positiv ladning, og selvfølgelig, elektronen har en negativ ladning, " sagde Silva. "Så, hul og elektron tiltrækker hinanden."

Elektronerne og hullerne kører rundt om hinanden som dansepartnere, der parrer sig med, hvad fysikere kalder en "exciton". Excitons virker og ligner meget partikler selv, selvom de ikke rigtig er partikler.

Hopper biexciton lys

I halvledere, millioner af excitoner er korreleret, eller koreograferet, med hinanden, hvilket giver ønskelige egenskaber, når en energikilde som elektricitet eller laserlys påføres. Derudover excitoner kan parre sig til at danne biexcitoner, booster halvlederens energetiske egenskaber.

"I dette materiale, vi fandt ud af, at biexciton -bindingsenergierne var høje, "Derfor sagde Silva." Det er derfor, vi vil putte dette i lasere, fordi den energi, du indtaster, ender på 80 eller 90 procent som biexcitoner. "

Biexcitons støder energisk op for at absorbere inputenergi. Så trækker de sig energisk sammen og pumper lys ud. Det ville fungere ikke kun i lasere, men også i LED'er eller andre overflader, der bruger det optoelektroniske materiale.

"Du kan justere kemien (af HOIP'er) for at styre bredden mellem biexciton -tilstande, og som styrer bølgelængden af ​​det lys, der afgives, "Silva sagde." Og justeringen kan være meget fin til at give dig enhver lysbølgelængde. "

Det oversætter til enhver lysfarve, hjertet begærer.