Forskning afslører ny indsigt i excitonbindingsenergier i organiske halvledere

Organiske halvledere er en klasse af materialer, der finder anvendelse i forskellige elektroniske enheder på grund af deres unikke egenskaber. En egenskab, der påvirker disse organiske halvlederes optoelektroniske egenskaber, er deres "excitonbindingsenergi", som er den energi, der er nødvendig for at opdele en exciton i dens negative og positive bestanddele.

Da høje bindingsenergier kan have en betydelig indvirkning på optoelektroniske enheders funktion, er lave bindingsenergier ønskelige. Dette kan hjælpe med at reducere energitab i enheder som organiske solceller.

Mens flere metoder til at designe organiske materialer med lav bindingsenergi er blevet undersøgt, er det fortsat en udfordring at måle disse energier nøjagtigt, primært på grund af manglen på egnede energimålingsteknikker.

Et team af forskere ledet af professor Hiroyuki Yoshida fra Graduate School of Engineering ved Chiba University, Japan, har nu kastet lys over excitonbindingsenergierne i organiske halvledere.

Deres undersøgelse blev offentliggjort online i The Journal of Physical Chemistry Letters . Ms. Ai Sugie fra Graduate School of Engineering ved Chiba University, Dr. Kyohei Nakano og Dr. Keisuke Tajima fra Center for Emergent Matter Science på RIKEN, og Prof. Itaru Osaka fra Institut for Anvendt Kemi ved Hiroshima University var involveret i Prof. Yoshida i at foretage denne undersøgelse.

Prof. Yoshida siger:"I denne undersøgelse blev en tidligere uforudset karakter af excitonbindingsenergier i organiske halvledere afsløret. I betragtning af den grundlæggende karakter af vores forskning forventer vi langsigtede og vedvarende effekter, både synlige og usynlige, på det virkelige liv. applikationer."

Holdet målte først eksperimentelt excitonbindingsenergierne for 42 organiske halvledere, herunder 32 solcellematerialer, syv organiske lysemitterende diodematerialer og tre krystallinske forbindelser af pentacen.

For at beregne excitonbindingsenergierne beregnede forskerne energiforskellen mellem den bundne exciton og dens "frie bærer"-tilstand. Mens førstnævnte er givet af det "optiske mellemrum", knyttet til lysabsorption og emission, er sidstnævnte givet af "transportgabet", som angiver den energi, der er nødvendig for at flytte en elektron fra det højeste bundne energiniveau til den laveste frie energi niveau.

Eksperimentel bestemmelse af det optiske mellemrum involverede fotoluminescens- og fotoabsorptionseksperimenter. I mellemtiden blev transportgabet beregnet ved hjælp af ultraviolet fotoelektronspektroskopi og lavenergi invers fotoelektronspektroskopi, en teknik, som forskergruppen har udviklet.

Brugen af ​​denne ramme gjorde det muligt for forskerholdet at bestemme excitonbindingsenergier med en høj præcision på 0,1 elektronvolt (eV). Forskerne mener, at dette præcisionsniveau kan hjælpe med at diskutere excitonkarakteren af ​​organiske halvledere med meget højere sikkerhed end tidligere undersøgelser.

Desuden observerede forskerne et uventet aspekt af arten af ​​exciton-bindende energier. De fandt ud af, at excitonbindingsenergien er en fjerdedel af transportbåndgabet, uanset de involverede materialer.

Resultaterne af denne undersøgelse er sat til at forme de grundlæggende principper vedrørende organisk optoelektronik og har også potentielle virkelige anvendelser. For eksempel forventes designprincipperne for regulering af organiske optoelektroniske enheder at ændre sig positivt.

I betragtning af disse funds potentiale til at påvirke begreber inden for feltet, mener forskerne desuden, at disse resultater sandsynligvis også vil blive inkluderet i fremtidige lærebøger.

Prof. Yoshida konkluderede:"Vores undersøgelse bidrager til at fremme den nuværende forståelse af mekanismen for excitoner i organiske halvledere. Desuden er disse begreber ikke kun begrænset til organiske halvledere, men kan også anvendes på en bred vifte af molekylærbaserede materialer, f.eks. som bio-relaterede materialer."

Flere oplysninger: Ai Sugie et al., Dependence of Exciton Binding Energy on Bandgap of Organic Semiconductors, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02863

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry Letters

Leveret af Chiba University