Stel je voor dat je elektronische apparaten print met een eenvoudige inkjetprinter, of zelfs een zonnepaneel op de muur van een gebouw schildert.

Een dergelijke technologie zou de productiekosten van elektronische apparaten verlagen en nieuwe manieren mogelijk maken om ze in ons dagelijks leven te integreren. In de afgelopen twee decennia, een soort materiaal genaamd organische halfgeleiders, gemaakt van moleculen of polymeren, voor dergelijke doeleinden is ontwikkeld. Maar sommige eigenschappen van deze materialen vormen een grote hindernis die het wijdverbreide gebruik ervan beperkt.

"In deze materialen een elektron is meestal gebonden aan zijn tegenhanger, een ontbrekend elektron dat bekend staat als 'gat, ' en kan niet vrij bewegen, " zei Wai-Lun Chan, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Kansas. "Zogenaamde 'vrije elektronen, ' die vrij in het materiaal dwalen en elektriciteit geleiden, zijn zeldzaam en kunnen niet gemakkelijk worden gegenereerd door lichtabsorptie. Dit belemmert het gebruik van deze organische materialen in toepassingen zoals zonnepanelen, omdat panelen die met deze materialen zijn gebouwd vaak slechte prestaties leveren."

Vanwege dit probleem, Chan zei dat "het vrijmaken van de elektronen" een focus is geweest bij de ontwikkeling van organische halfgeleiders voor zonnecellen, lichtsensoren en vele andere opto-elektronische toepassingen.

Nutsvoorzieningen, twee natuurkundige onderzoeksgroepen aan de KU, geleid door Chan en Hui Zhao, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, hebben effectief vrije elektronen gegenereerd uit organische halfgeleiders in combinatie met een enkele atomaire laag molybdeendisulfide (MoS ₂ ), een recent ontdekte tweedimensionale (2-D) halfgeleider.

De geïntroduceerde 2D-laag zorgt ervoor dat de elektronen uit "gaten" kunnen ontsnappen en vrij kunnen bewegen. De bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , een toonaangevend tijdschrift op het gebied van scheikunde en raakvlakken van wetenschap.

De afgelopen jaren, veel onderzoekers hebben onderzocht hoe gratis kosten effectief kunnen worden gegenereerd uit hybride organische-2-D-interfaces.

"Een van de heersende veronderstellingen is dat vrije elektronen kunnen worden gegenereerd vanaf het grensvlak zolang elektronen in relatief korte tijd van het ene materiaal naar het andere kunnen worden overgedragen - minder dan een biljoenste van een seconde, "Zei Chan. "Echter, mijn afstudeerstudenten Tika Kafle en Bhupal Kattel en ik hebben geconstateerd dat de aanwezigheid van de ultrasnelle elektronenoverdracht op zich niet voldoende is om het genereren van vrije elektronen uit de lichtabsorptie te garanderen. Dat komt omdat de 'gaten' kunnen voorkomen dat de elektronen van het grensvlak weg bewegen. Of het elektron vrij kan zijn van deze bindende kracht hangt af van het lokale energielandschap nabij het grensvlak."

Chan zei dat het energielandschap van de elektronen kan worden gezien als een topografische kaart van een berg.

"Een wandelaar kiest zijn pad op basis van de hoogtecontourkaart, "zei hij. "Evenzo, de beweging van het elektron op het grensvlak tussen de twee materialen wordt gecontroleerd door het elektronenenergielandschap nabij het grensvlak."

De bevindingen van Chan en Zhao zullen helpen bij het ontwikkelen van algemene principes voor het ontwerpen van het "landschap" om de elektronen in dergelijke hybride materialen te bevrijden.

De ontdekking werd gedaan door twee zeer complementaire experimentele instrumenten te combineren op basis van ultrasnelle lasers, tijdsopgeloste foto-emissiespectroscopie in het laboratorium van Chan en voorbijgaande optische absorptie in het laboratorium van Zhao. Beide experimentele opstellingen bevinden zich in de kelder van het Integrated Science Building.

In het tijdsopgeloste foto-emissiespectroscopie-experiment, Kafle gebruikte een ultrakorte laserpuls die slechts voor 10 quadriljoensten (10-14) van een seconde bestaat om de beweging van elektronen te activeren. Het voordeel van zo'n korte puls is dat de onderzoeker precies weet wanneer de reis van het elektron begint. Kafle gebruikte vervolgens nog een ultrakorte laserpuls om het monster opnieuw te raken op een nauwkeurig gecontroleerd tijdstip ten opzichte van de eerste puls. Deze tweede puls is energiek genoeg om deze elektronen uit het monster te schoppen. Door de energie van deze elektronen te meten (nu in een vacuüm) en het principe van energiebesparing te gebruiken, de onderzoekers waren in staat om de energie van elektronen te achterhalen voordat ze werden uitgeschopt en zo de reis van deze elektronen te onthullen sinds ze door de eerste puls werden geraakt. Deze techniek loste de energie van de geëxciteerde elektronen op terwijl deze na de lichtabsorptie over het grensvlak beweegt. Omdat alleen elektronen nabij het vooroppervlak van het monster kunnen worden vrijgegeven door de tweede puls, de positie van het elektron ten opzichte van het grensvlak wordt ook onthuld met atomaire precisie.

In de tijdelijke optische absorptiemetingen, Peng Yao (een gaststudent) en KU-afgestudeerde Peymon Zereshki, beide onder toezicht van Zhao, ook gebruik gemaakt van een twee-puls techniek, waarbij de eerste puls de elektronenbeweging op dezelfde manier initieert. Echter, in hun metingen, de tweede puls doet de truc om elektronen te bewaken door de fractie van de tweede puls te detecteren die door het monster wordt gereflecteerd, in plaats van de elektronen eruit te schoppen.

"Omdat licht over een grotere afstand kan doordringen, de meting kan elektronen in de volledige diepte van het monster aftasten en daarom aanvullende informatie geven aan de eerste technieken die meer 'oppervlaktegevoelig, '" 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."