At se er at tro:Direkte billeddannelse af rekordexciton-diffusionslængde

Optoelektronik – teknologi, der giver af, opdager, eller styrer lys - bruges overalt i moderne elektronik og omfatter enheder som lysdioder (LED'er) og solceller. Inden for disse enheder, bevægelsen af ​​excitoner (par af negative elektroner og positive huller) bestemmer, hvor godt enheden yder.

Indtil nu, afstanden, som excitoner kunne rejse i konventionelle optoelektroniske systemer, var omkring 30-70 nanometer, og der var ingen måde direkte at forestille sig, hvordan excitonerne bevæger sig. I en undersøgelse for nylig offentliggjort i ACS Nano , et hold af støberi-forskere designede og lavede et nanokrystalsystem, hvor excitoner kan bevæge sig en rekordafstand på 200 nanometer, en størrelsesorden større end hvad der tidligere var muligt. De byggede også et brugerdefineret mikroskop, der direkte kan afbilde bevægelsen af ​​excitoner.

"Den videnskabelige bedrift er, at vi fandt et kunstigt system, hvor en exciton hopper fra krystal til krystal over meget lange afstande, ti gange længere end tidligere opnået, " sagde Alex Weber-Bargioni, facility director for Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility på Molecular Foundry og hovedefterforsker af undersøgelsen. "Så er der den tekniske præstation - vi er i stand til direkte at afbilde excitonernes bevægelse for bedre at forstå deres adfærd."

Deres system består af bittesmå krystaller af perovskitter, en klasse af krystaller, der dukker op som lovende materialer til optoelektroniske enheder.

"Perovskite nanokrystaller dannes i en kubisk form, hvilket gør dem nemme at pakke sammen, " forklarede Monica Lorenzon, en post-doc forsker ved Støberiet og en forfatter til dette værk. "Men de gør det ikke naturligt over lange afstande." Lorenzon beskrev, hvordan hendes kollega Erika Penzo, avisens første forfatter, belagt en siliciumoverflade med en polymer indeholdende kemiske grupper, som perovskit-nanokrystallerne ville binde til, danner et enkelt lag af perovskit nanokrystaller tæt pakket sammen. Denne overfladetekniske proces resulterede i et nanokrystalsystem, hvor excitoner kunne bevæge sig fra krystal til krystal over meget lange afstande.

Dette system gav forskerne et nyttigt casestudie til at se på, hvordan excitoner bevæger sig, eller diffus, i mere dybde. "I optoelektronik, uanset om du konverterer lys til elektricitet eller omvendt, du vil være i stand til at tune og kontrollere spredningen af ​​excitoner, fordi de er formidleren af ​​lyset og elektronikken." sagde Weber-Bargioni. "Så det er meget nyttigt at forstå, hvor langt og hvor hurtigt excitoner bevæger sig."

I fortiden, excitonbevægelse blev målt ved at tilføje defekter, ufuldkommenheder i en krystal, der fanger excitoner. Forskere kunne spore bevægelsen af ​​excitoner indirekte ved at sammenligne prøver med forskellige mængder af defekter. "Men vores system er meget mere direkte, " forklarede Lorenzon. "Vi kan faktisk visualisere excitonbevægelsen ved direkte at afbilde den med et specialbygget mikroskop. Denne metode resulterer også i mere nøjagtige målinger, sammenlignet med området af diffusionslængder, der kan måles på den indirekte måde."

Mikroskopets grundlæggende princip er, at en laser bruges til at excitere (overføre energi til) materialet, resulterer i et ophidset sted. Når denne energi frigives, fotoluminescensen (lys afgivet af materialet) på samme sted vil være et bredere sted, som en dråbe vand på et køkkenrulle, der udvider sig udad over tid. Ved at sammenligne den exciterede plet med fotoluminescenspletten, den gennemsnitlige afstand, som excitoner bevæger sig, kan måles, hvilket resulterer i den rekordstore diffusionslængde på 200 nanometer. "Vi rammer prøven med en laserstråle, og hvis vi filtrerer laserlyset fra og ser på fotoluminescenslyset, vi får et meget bredere sted - det er excitonerne, der diffunderer hen over prøven, " forklarede Lorenzon.

Ved at tilføje tidsopløsning, mikroskopet er også i stand til at se på excitonernes dynamik, og det viste sig, at de først diffunderer hurtigt og derefter bremser. Denne forbedrede forståelse af, hvordan excitoner bevæger sig, kan hjælpe med at forbedre ydeevnen af ​​optoelektroniske enheder, hvor det er nyttigt at tune exciton-diffusionslængder til forskellige applikationer, såsom at have lange diffusionslængder i solceller og korte diffusionslængder i LED'er.

I en opfølgning på denne undersøgelse, forskerne udforskede forskellige metoder (plasma vs termisk) til at tilføje en tynd, beskyttende lag til perovskit nanokrystallerne. Fordi dette beskyttende lag tillader nanokrystallerne at leve i længere tid, excitonerne kan rejse længere afstande, hvilket resulterede i en endnu længere exciton-diffusionslængde på 480 nanometer.

Det brugerdefinerede mikroskop blev også forbedret til at inkludere energiopløsning. Dette afslørede, at energi forbliver den samme, når excitoner bevæger sig gennem prøven belagt via plasmaprocessen, hvorimod energien falder, når excitoner bliver fanget i defekter og store krystaller dannet af smeltede nanokrystaller i prøven, der er coatet via den termiske proces. Dette arbejde blev for nylig accepteret i Advanced Optical Materials.

Bevæger sig fremad, forskerne er interesserede i at se på forskellige klasser af materialer og forskellige typer exciton-diffusion ved hjælp af deres mikroskop. De søger også at undersøge, om excitonernes bevægelse kan være sammenhængende, eller bevæge sig synkroniseret med hinanden.