Spektroskopi og teori kaster lys over excitoner i halvledere

Fra solpaneler på vores tage til de nye OLED-tv-skærme, ville mange elektroniske enheder til hverdagsbrug simpelthen ikke fungere uden interaktionen mellem lys og de materialer, der udgør halvledere. En ny kategori af halvledere er baseret på organiske molekyler, som i høj grad består af kulstof, såsom buckminsterfulleren.

Den måde, organiske halvledere fungerer på, er i høj grad bestemt af deres adfærd i de første øjeblikke efter, at lys exciterer elektroner og danner "excitoner" i materialet.

Forskere fra universiteterne i Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau og Grenoble-Alpes har nu for første gang lavet meget hurtige og meget præcise billeder af disse excitoner - faktisk nøjagtige til en kvadrilliontedel af en sekund og en milliardtedel af en måler. Denne forståelse er afgørende for at udvikle mere effektive materialer med organiske halvledere. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Communications.

Når lys rammer et materiale, absorberer nogle elektroner energien, og det bringer dem i en ophidset tilstand. I organiske halvledere, som dem der bruges i OLED'er, er interaktionen mellem sådanne exciterede elektroner og tilbageværende "huller" meget stærk, og elektroner og huller kan ikke længere beskrives som individuelle partikler. I stedet kombineres negativt ladede elektroner og positivt ladede huller for at danne par, kendt som excitoner.

At forstå de kvantemekaniske egenskaber af disse excitoner i organiske halvledere har længe været betragtet som en stor udfordring – både fra et teoretisk og et eksperimentelt synspunkt.

Den nye metode kaster lys over dette puslespil. Wiebke Bennecke, fysiker ved universitetet i Göttingen og førsteforfatter af undersøgelsen, forklarer:"Ved at bruge vores fotoemissionselektronmikroskop kan vi erkende, at de tiltrækkende kræfter i excitonerne væsentligt ændrer deres energi- og hastighedsfordeling. Vi måler ændringerne med ekstremt meget høj opløsning i både tid og rum og sammenlign dem med kvantemekanikkens teoretiske forudsigelser."

Forskerne omtaler denne nye teknik som photoemission exciton tomography. Teorien bag det blev udviklet af et team ledet af professor Peter Puschnig ved universitetet i Graz.

Denne nye teknik gør det muligt for forskere for første gang både at måle og visualisere excitonernes kvantemekaniske bølgefunktion. Kort sagt beskriver bølgefunktionen tilstanden af ​​en exciton og bestemmer dens sandsynlighed for at være til stede.

Dr. Matthijs Jansen, Göttingen Universitet, forklarer betydningen af ​​resultaterne, "Den organiske halvleder, som vi undersøgte, var buckminsterfulleren, som består af et sfærisk arrangement af 60 kulstofatomer. Spørgsmålet var, om en exciton altid ville være placeret på et enkelt molekyle eller om det kan fordeles på tværs af flere molekyler samtidigt. Denne egenskab kan have stor indflydelse på effektiviteten af ​​halvledere i solceller."

Fotoemission exciton tomografi giver svaret:umiddelbart efter exciton er genereret af lys, er det fordelt over to eller flere molekyler. Men inden for et par femtosekunder, hvilket betyder på en lille brøkdel af et sekund, skrumper excitonen tilbage til et enkelt molekyle.

I fremtiden vil forskerne registrere excitonernes adfærd ved hjælp af den nye metode. Ifølge professor Stefan Mathias, Göttingen Universitet, rummer dette potentiale, "For eksempel ønsker vi at se, hvordan molekylers relative bevægelse påvirker dynamikken af ​​excitoner i et materiale. Disse undersøgelser vil hjælpe os med at forstå energiomdannelsesprocesser i organiske halvledere. Og vi håber, at denne viden vil bidrage til udviklingen af ​​mere effektive materialer til solceller."

Flere oplysninger: Wiebke Bennecke et al, Disentangling the multiorbital bidrag af excitoner ved fotoemission exciton tomography, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45973-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Göttingen