Lys-infunderede partikler går langt i organiske halvledere

Polaritons tilbyder det bedste fra to meget forskellige verdener. Disse hybridpartikler kombinerer lys og molekyler af organisk materiale, hvilket gør dem til ideelle beholdere til energioverførsel i organiske halvledere. De er kompatible med moderne elektronik, men bevæger sig også hurtigt takket være deres fotoniske oprindelse.

Men de er svære at kontrollere, og meget af deres adfærd er et mysterium.

Et projekt ledet af Andrew Musser, assisterende professor i kemi og kemisk biologi ved College of Arts and Sciences, har fundet en måde at justere hastigheden på denne energistrøm. Denne "gashåndtag" kan flytte polaritoner fra næsten stilstand til noget, der nærmer sig lysets hastighed og øge deres rækkevidde – en tilgang, der i sidste ende kan føre til mere effektive solceller, sensorer og LED'er.

Holdets papir, "Tuning the Coherent Propagation of Organic Exciton-Polaritons through Dark State Delocalization," offentliggjort 27. april i Advanced Science . Hovedforfatteren er Raj Pandya fra University of Cambridge.

I løbet af de sidste mange år har Musser og kolleger ved University of Sheffield udforsket en metode til at skabe polaritoner via små sandwichstrukturer af spejle, kaldet mikrohulrum, der fanger lys og tvinger det til at interagere med excitoner - mobile energibundter, der består af en bundet elektron-hul-par.

De har tidligere vist, hvordan mikrohulrum kan redde organiske halvledere fra "mørke tilstande", hvor de ikke udsender lys, med implikationer for forbedrede organiske LED'er.

Til det nye projekt brugte holdet en række laserimpulser, der fungerede som et ultrahurtigt videokamera, til at måle i realtid, hvordan energien bevægede sig i mikrohulrumsstrukturerne. Men holdet ramte deres eget fartbump. Polaritoner er så komplekse, at selv fortolkning af sådanne målinger kan være en besværlig proces.

"Det, vi fandt, var fuldstændig uventet. Vi sad på dataene i godt to år og tænkte over, hvad det hele betød," sagde Musser, avisens seniorforfatter.

Til sidst indså forskerne, at ved at inkorporere flere spejle og øge reflektiviteten i mikrokavitetsresonatoren, var de i stand til i realiteten at turbolade polaritonerne.

"Den måde, hvorpå vi ændrede hastigheden af ​​disse partiklers bevægelse, er stadig dybest set hidtil uset i litteraturen," sagde han. "Men nu har vi ikke kun bekræftet, at indsættelse af materialer i disse strukturer kan få stater til at bevæge sig meget hurtigere og meget længere, men vi har en håndtag til rent faktisk at kontrollere, hvor hurtigt de går. Dette giver os en meget klar køreplan nu for, hvordan vi kan prøve for at forbedre dem."

I typiske organiske materialer bevæger elementære excitationer sig i størrelsesordenen 10 nanometer pr. nanosekund, hvilket nogenlunde svarer til hastigheden for verdensmesterens sprinter Usain Bolt, ifølge Musser.

Det kan være hurtigt for mennesker, bemærkede han, men det er faktisk en ret langsom proces på nanoskalaen.

Mikrokavitetstilgangen udsender derimod polaritoner hundrede tusinde gange hurtigere - en hastighed i størrelsesordenen 1% af lysets hastighed. Mens transporten er kortvarig – i stedet for at tage mindre end et nanosekund, er den mindre end picosekund, eller omkring 1.000 gange kortere – bevæger polaritonerne sig 50 gange længere.

"Den absolutte hastighed er ikke nødvendigvis vigtig," sagde Musser. "Det, der er mere nyttigt, er afstanden. Så hvis de kan rejse hundredvis af nanometer, når du miniaturiserer enheden - f.eks. med terminaler, der er 10'er af nanometer fra hinanden - betyder det, at de vil gå fra A til B med nul tab. Og det er virkelig, hvad det handler om."

Dette bringer fysikere, kemikere og materialeforskere stadig tættere på deres mål om at skabe nye, effektive enhedsstrukturer og næste generations elektronik, der ikke hindres af overophedning.

"Mange teknologier, der bruger excitoner i stedet for elektroner, fungerer kun ved kryogene temperaturer," sagde Musser. "Men med organiske halvledere kan du begynde at opnå en masse interessant, spændende funktionalitet ved stuetemperatur. Så de samme fænomener kan føre til nye slags lasere, kvantesimulatorer eller computere, endda. Der er mange applikationer til disse polariton partikler, hvis vi kan forstå dem bedre." + Udforsk yderligere

Stærk lys-stof-kobling i organiske krystaller