Banebrydende materiale kan føre til billigere, mere udbredte solpaneler og elektronik

Forestil dig at udskrive elektroniske enheder ved hjælp af en simpel inkjet-printer - eller endda male et solpanel på væggen i en bygning.

En sådan teknologi ville reducere omkostningerne ved at fremstille elektroniske enheder og muliggøre nye måder at integrere dem i vores hverdag. I løbet af de sidste to årtier, en type materiale kaldet organiske halvledere, lavet af molekyler eller polymerer, er udviklet til sådanne formål. Men nogle egenskaber ved disse materialer udgør en stor hindring, der begrænser deres udbredte anvendelse.

"I disse materialer, en elektron er normalt bundet til sin modstykke, en manglende elektron kendt som 'hul' og kan ikke bevæge sig frit, " sagde Wai-Lun Chan, lektor i fysik og astronomi ved University of Kansas. "De såkaldte 'frie elektroner' ' som vandrer frit i materialet og leder elektricitet, er sjældne og kan ikke genereres let ved lysabsorption. Dette hæmmer brugen af ​​disse organiske materialer i applikationer som solpaneler, fordi paneler bygget med disse materialer ofte har dårlig ydeevne."

På grund af dette problem, Chan sagde, at "frigørelse af elektronerne" har været et fokus i udviklingen af ​​organiske halvledere til solceller, lyssensorer og mange andre optoelektroniske applikationer.

Nu, to fysikforskningsgrupper ved KU, ledet af Chan og Hui Zhao, professor i fysik og astronomi, har effektivt genereret frie elektroner fra organiske halvledere, når de kombineres med et enkelt atomlag af molybdændisulfid (MoS ₂ ), en nyligt opdaget todimensionel (2-D) halvleder.

Det indførte 2-D lag gør det muligt for elektronerne at flygte fra "huller" og bevæge sig frit. Resultaterne er netop blevet offentliggjort i Journal of American Chemical Society , et førende tidsskrift inden for kemi og grænseflader mellem videnskabsområder.

I løbet af de sidste par år, mange forskere har undersøgt, hvordan gratis afgifter kan genereres effektivt fra hybride organiske 2-D-grænseflader.

"En af de fremherskende antagelser er, at frie elektroner kan genereres fra grænsefladen, så længe elektroner kan overføres fra et materiale til et andet på relativt kort tid - mindre end en trilliontedel af et sekund, " sagde Chan. "Men mine kandidatstuderende Tika Kafle og Bhupal Kattel og jeg har fundet ud af, at tilstedeværelsen af ​​den ultrahurtige elektronoverførsel i sig selv ikke er tilstrækkelig til at garantere dannelsen af ​​frie elektroner fra lysabsorptionen. Det er fordi 'hullerne' kan forhindre elektronerne i at bevæge sig væk fra grænsefladen. Om elektronen kan være fri for denne bindingskraft afhænger af det lokale energilandskab nær grænsefladen."

Chan sagde, at elektronernes energilandskab kunne ses som et topografisk kort over et bjerg.

"En vandrer vælger sin vej baseret på højdekonturkortet, " sagde han. "På samme måde, elektronens bevægelse ved grænsefladen mellem de to materialer styres af elektronenergilandskabet nær grænsefladen."

Chan og Zhaos resultater vil hjælpe med at udvikle generelle principper for, hvordan man designer "landskabet" for at frigøre elektronerne i sådanne hybridmaterialer.

Opdagelsen blev gjort ved at kombinere to meget komplementære eksperimentelle værktøjer baseret på ultrahurtige lasere, tidsopløst fotoemissionsspektroskopi i Chans laboratorium og forbigående optisk absorption i Zhaos laboratorium. Begge forsøgsopstillinger er placeret i kælderen i Integrated Science Building.

I det tidsopløste fotoemissionsspektroskopi-eksperiment, Kafle brugte en ultrakort laserimpuls, der kun eksisterer i 10-kvadrilliontedele (10-14) af et sekund for at udløse elektronernes bevægelse. Fordelen ved at bruge så kort en puls er, at forskeren kender nøjagtigt starttidspunktet for elektronens rejse. Kafle brugte derefter en anden ultrakort laserpuls til at ramme prøven igen på et nøjagtigt kontrolleret tidspunkt i forhold til den første puls. Denne anden puls er energisk nok til at sparke disse elektroner ud af prøven. Ved at måle energien af ​​disse elektroner (nu i et vakuum) og bruge princippet om energibevarelse, forskerne var i stand til at finde ud af elektronernes energi, før de blev smidt ud og dermed afsløre disse elektroners rejse, siden de blev ramt af den første puls. Denne teknik løste energien af ​​de exciterede elektroner, når den bevæger sig hen over grænsefladen efter lysabsorptionen. Fordi kun elektroner nær den forreste overflade af prøven kan frigives af den anden puls, elektronens position i forhold til grænsefladen afsløres også med atomart præcision.

I de transiente optiske absorptionsmålinger, Peng Yao (gæstestuderende) og KU-uddannet Peymon Zereshki, begge overvåget af Zhao, brugte også en to-puls teknik, med den første impuls, der sætter elektronbevægelsen i gang på samme måde. Imidlertid, i deres mål, den anden puls gør det trick med at overvåge elektroner ved at detektere den del af den anden puls, der reflekteres fra prøven, i stedet for at sparke elektronerne ud.

"Fordi lys kan trænge igennem en længere afstand, målingen kan sondere elektroner i hele prøvens dybde og derfor give supplerende information til de første teknikker, der er mere 'overfladefølsomme', '" Zhao said. "These detailed measurements enabled us to reconstruct the trajectory of the electron and determine conditions that enable the effective generation of free electrons."