Ny molekylær egenskab kan betyde mere effektive sol- og optoelektroniske enheder

Kemikere og polymerforskere, der samarbejder ved University of Massachusetts Amherst, rapporterer i Naturkommunikation i denne uge, at de for første gang har identificeret en uventet egenskab i et organisk halvledermolekyle, der kunne føre til mere effektive og omkostningseffektive materialer til brug i mobiltelefoner og bærbare skærme, for eksempel, og i opto-elektroniske enheder såsom lasere, lysdioder og fiberoptisk kommunikation.

Fysisk kemiker Michael Barnes og polymerforsker Alejandro Briseño, med ph.d.-studerende Sarah Marques, Hilary Thompson, Nicholas Colella og postdoc-forsker Joelle Labastide, opdagede ejendommen, retningsbestemt iboende ladningsadskillelse, i krystallinske nanotråde af en organisk halvleder kendt som 7, 8, 15, 16-tetraazaterrylen (TAT).

Forskerne så ikke kun effektiv adskillelse af afgifter i TAT, men en meget specifik retning, som Barnes siger "er ret nyttig. Den tilføjer kontrol, så vi er ikke prisgivet tilfældig bevægelse, hvilket er ineffektivt. Vores papir beskriver et aspekt af den nanoskopiske fysik i individuelle krystaller, en struktur, der vil gøre det nemmere at bruge dette molekyle til nye applikationer såsom i enheder, der bruger polariseret lysinput til optisk switching. Vi og andre vil straks udnytte denne retningsbestemmelse."

Han tilføjer, "At observere den iboende ladningsadskillelse sker ikke i polymerer, så vidt vi ved, sker det kun i denne familie af små organiske molekyler, krystallinske samlinger eller nanotråde. Med hensyn til anvendelsen udforsker vi nu måder at arrangere krystallerne i et ensartet mønster, og derfra kan vi tænde eller slukke for tingene afhængigt af optisk polarisering, for eksempel."

Imidlertid, UMass Amherst-teamet mener, at ejendommen ikke er en særhed, der er unik for dette materiale, men at flere materialer potentielt deler det, gør opdagelserne i TAT interessante for en bred vifte af forskere, siger Barnes. Lignende typer observationer er blevet bemærket i pentacenkrystaller, han bemærker, som viser noget lignende, men uden retningsbestemthed. I dette arbejde støttet af U.S. Department of Energy og UMass Amhersts Center for Hierarchical Manufacturing, de foreslår, at effekten kommer fra en ladningsoverførselsinteraktion i molekylets ladningsledende nanotråde, der kan programmeres.

I det konventionelle syn på at høste solenergi med organiske eller kulstofbaserede organiske materialer, kemikeren forklarer, forskere forstod, at de organiske aktive lag på arbejde i enheder absorberer lys, hvilket fører til en exciteret tilstand kendt som en exciton. I denne mekanisme, excitonen migrerer til en grænseflade, hvor den adskilles i en positiv og negativ ladning, frigør spændingen til brug som strøm. "I denne opfattelse, du håber, at lyset absorberes godt, så overførslen er effektiv, " han siger.

I tidligere arbejde, Barnes, Briseño og andre hos UMass Amherst arbejdede på at kontrollere domænestørrelsen af ​​materialer for at matche, hvad man mente var den afstand, en exciton kan rejse på den tid, det tager at udstråle, tilføjer han. "Alt dette er baseret på ideen om, at mekanismen for ladningsadskillelse er ydre, at en ekstern drivkraft adskiller anklagerne, " konstaterer han. Målet havde været at fjerne behovet for den grænseflade."

Seneste, Briseño og kolleger nåede et punkt med at syntetisere krystaller, hvor deres polymerbaserede enheder ikke præsterede, som de ønskede, fortæller han. Briseño bad Barnes og kolleger om at bruge deres specielle måleinstrumenter til at undersøge. Barnes og kolleger fandt en strukturel defekt, som Briseño kunne rette. "Vi gav ham nogle diagnoser for at forbedre deres krystalvækst, " siger Barnes.

"Fra dette, vi bemærkede spor om, at der var nogle meget interessante ting i gang, som førte os til opdagelsen, Barnes tilføjer. "Det er sjovt, når videnskaben fungerer på den måde. Det var et meget dejligt gensidigt fordelagtigt forhold."

"Det, naturen bragte os, var noget virkelig meget rigere og mere interessant end noget, vi kunne have forventet. Vi troede, det ville ligne tidligere observationer kvalitativt, måske forskellige i kvantitative detaljer, men den virkelige historie er langt mere interessant. I dette materiale, de fandt ud af, at den måde, den pakker krystaller på, giver anledning til sin egen adskillelse, en iboende egenskab ved det krystallinske materiale."