En fundamentalt ny tilgang til elektrostatisk design af materialer

Forskere ved Institute of Solid State Physics kortlægger en radikalt ny tilgang til design af optiske og elektroniske egenskaber af materialer i Avancerede materialer .

Databaseret materialedesign bruges traditionelt til at forbedre og videreudvikle allerede eksisterende materialer. Simuleringer giver en dyb indsigt i de kvantemekaniske effekter, der bestemmer materialeegenskaber. Egbert Zojer og hans team på Institute of Solid State Physics ved TU Graz går et afgørende skridt ud over det:De bruger computersimuleringer til at foreslå et helt nyt koncept til styring af materialers elektroniske egenskaber. Potentielt forstyrrende påvirkninger som følge af det regelmæssige arrangement af polære elementer, såkaldte kollektive elektrostatiske effekter, bruges af forskergruppen til bevidst at manipulere materialeegenskaber. At denne radikalt nye tilgang også virker for tredimensionelle materialer er blevet demonstreret af Graz-teamet i Avancerede materialer , som ifølge Google Scholar er internationalt det vigtigste tidsskrift inden for materialeforskning.

Manipulation af det energiske materialelandskab

"Den grundlæggende tilgang til det elektrostatiske designkoncept er at modificere de elektroniske tilstande af halvledere via det periodiske arrangement af dipolære grupper. På denne måde er vi i stand til lokalt at manipulere energiniveauer på en kontrolleret måde. Ved at gøre det, vi forsøger ikke at finde måder at omgå sådanne effekter, som er uundgåelige, især ved grænseflader. Hellere, vi gør bevidst brug af dem til vores egne formål, " forklarer Egbert Zojer.

Dette emne har været i fokus for Zojer-gruppens forskning allerede i nogen tid. Det første trin var det elektrostatiske design af molekylære monolag, for eksempel på guldelektroder. Eksperimenter har vist, at de forudsagte energiskift inden for lagene faktisk finder sted, og at ladningstransport gennem monolag kan moduleres bevidst. Også, todimensionelle materialers elektroniske tilstande, såsom grafen, kan styres ved hjælp af kollektive elektrostatiske effekter. I publikationen i Avancerede materialer , doktorand Veronika Obersteiner, Egbert Zojer og andre kolleger fra teamet demonstrerer konceptets fulde potentiale ved at udvide det til tredimensionelle materialer.

"For eksempel med tredimensionelle kovalente organiske netværk, vi viser, hvordan energilandskabet i tredimensionelt bulkmateriale – ved hjælp af kollektive elektrostatiske effekter – kan manipuleres, således at rumligt afgrænsede veje for elektroner og huller kan realiseres. På denne måde kan afgiftsselskaber, for eksempel, adskilles og materialets elektroniske egenskaber kan udformes efter ønske, siger Zojer.

Konceptet er især interessant for solceller. I klassiske organiske solceller, kemisk forskellige byggesten, såkaldte donorer og acceptorer, bruges til at adskille de fotogenererede elektron-hul-par. I den her foreslåede tilgang det nødvendige lokale skift af energiniveauer opstår på grund af det periodiske arrangement af polære grupper. De halvledende områder, hvorpå elektronerne og hullerne flyttes, er kemisk identiske. "På denne måde vi kan kvasi-kontinuerligt og effektivt finjustere energiniveauerne ved at variere dipoldensiteten. Dette arbejde er klimakset på vores intensive forskning i det elektrostatiske design af materialer, siger Zojer.

Elektrostatisk design i 3-D-systemer kan også muliggøre realisering af komplekse kvantestrukturer, såsom kvante-kaskader og kvante-skakterier. "Kun materialedesignerens fantasi kan sætte grænser for vores koncept, siger Zojer.