At bryde symmetri fører til responsive organiske fotodetektorer

En søjle af flydende krystalmolekyler kunne danne grundlag for en ny race af fleksible lysdetektorer, der har ultrahurtige reaktioner, et all-RIKEN hold har demonstreret.

Konventionelle solceller og lysdetektorer er baseret på den fotovoltaiske effekt - et fænomen, hvor lys genererer ledningselektroner og deres positive modstykker, huller, i en halvleder. De består af et materiale, der donerer elektroner, og et materiale, der accepterer dem. Elektroner og huller trækkes fra hinanden ved grænsefladen, resulterer i generering af en elektrisk strøm.

Men en anden effekt, kendt som bulk fotovoltaisk effekt, kan generere en strøm ved kun at bruge én slags materiale. Den reagerer også meget hurtigt på lys og genererer en meget konstant strøm. Disse fordele kan føre til en ny generation af solceller og lysdetektorer.

Massefotovoltaiske effekt er hovedsageligt blevet undersøgt i uorganiske materialer, da den kun forekommer i krystaller, der mangler et center for inversionssymmetri, som udelukker de fleste organiske materialer. Men organiske forbindelser tilbyder fordele såsom fleksibilitet og evnen til nemt at justere den bølgelængde, ved hvilken den store fotovoltaiske effekt opstår.

"Den bulk fotovoltaiske effekt observeres kun i polar, ikke-centrosymmetriske materialer, men organiske materialer har en tendens til fortrinsvis at danne upolære, centrosymmetriske krystaller, " forklarer Daigo Miyajima fra RIKEN Center for Emergent Matter Science. "Derfor, vi var nødt til at finde en måde at bryde denne symmetri."

Tidligere, Miyajima og nogle kolleger havde lavet en flydende krystalsøjle bestående af vifteformede molekyler stablet oven på hinanden, hvor symmetrien blev brudt af hydrogenbindinger mellem amidgrupper. Men det absorberede kun lys i det ultraviolette område.

Nu, ved at pille ved sammensætningen af ​​basismolekylet i denne organiske flydende krystal, det er lykkedes forskerne at observere den store fotovoltaiske effekt i den søjleformede flydende krystal over et bredt bølgelængdeområde, som når op til røde bølgelængder i det synlige spektrum.

Selvom molekylerne spontant danner symmetriske samlinger, forskerne viste, at symmetrien kan brydes ved blot at anvende et elektrisk felt. De fandt ud af, at under denne tilstand sprang strømmen i den flydende krystal med omkring 6, 600 gange, når der blev skinnet lys på den. Dette svarer til responsen fra lysdetektorer baseret på den konventionelle fotovoltaiske effekt, men det kunne realiseres i en enhed, der har en meget enklere struktur.

Holdet forsøger nu at lave enheder på fleksible underlag. "Fordi vores materiale er en flydende krystal, det er tolerant over for bøjning eller strækning, " bemærker Miyajima.