Onderzoekers van het Institute of Solid State Physics brengen een radicaal nieuwe benadering in kaart voor het ontwerpen van optische en elektronische eigenschappen van materialen in Geavanceerde materialen .

Computational material design wordt traditioneel gebruikt om reeds bestaande materialen te verbeteren en verder te ontwikkelen. Simulaties geven een diep inzicht in de kwantummechanische effecten die materiaaleigenschappen bepalen. Egbert Zojer en zijn team van het Institute of Solid State Physics van de TU Graz gaan een beslissende stap verder:ze stellen met computersimulaties een geheel nieuw concept voor om de elektronische eigenschappen van materialen te beheersen. Mogelijk storende invloeden die voortkomen uit de regelmatige opstelling van polaire elementen, zogenaamde collectieve elektrostatische effecten, worden door de onderzoeksgroep gebruikt om opzettelijk materiaaleigenschappen te manipuleren. Dat deze radicaal nieuwe aanpak ook werkt voor driedimensionale materialen, heeft het Graz-team in . aangetoond Geavanceerde materialen , dat volgens Google Scholar internationaal het belangrijkste tijdschrift is op het gebied van materiaalonderzoek.

Manipulatie van het energetische materialenlandschap

"De basisbenadering van het elektrostatische ontwerpconcept is om de elektronische toestanden van halfgeleiders te wijzigen via de periodieke rangschikking van dipolaire groepen. Op deze manier zijn we in staat om energieniveaus op een gecontroleerde manier lokaal te manipuleren. Door dit te doen, we proberen geen manieren te vinden om dergelijke effecten te omzeilen, die vooral bij interfaces onvermijdelijk zijn. Liever, we gebruiken ze bewust voor onze eigen doeleinden, ", legt Egbert Zojer uit.

Dit onderwerp staat al geruime tijd in het onderzoek van de Zojer-groep. De eerste stap was het elektrostatische ontwerp van moleculaire monolagen, bijvoorbeeld op gouden elektroden. Experimenten hebben aangetoond dat de voorspelde energieverschuivingen binnen de lagen daadwerkelijk plaatsvinden en dat ladingstransport door monolagen bewust kan worden gemoduleerd. Ook, de elektronische toestanden van tweedimensionale materialen, zoals grafeen, kan worden gecontroleerd door middel van collectieve elektrostatische effecten. In de publicatie in Geavanceerde materialen , promovendus Veronika Obersteiner, Egbert Zojer en andere collega's van het team demonstreren het volledige potentieel van het concept door het uit te breiden naar driedimensionale materialen.

"Voor het voorbeeld van driedimensionale covalente organische netwerken, we laten zien hoe - door middel van collectieve elektrostatische effecten - het energielandschap binnen driedimensionaal bulkmateriaal zodanig kan worden gemanipuleerd dat ruimtelijk begrensde banen voor elektronen en gaten kunnen worden gerealiseerd. Op deze manier kunnen ladingdragers, bijvoorbeeld, gescheiden zijn en de elektronische eigenschappen van het materiaal naar wens kunnen worden ontworpen, ' zegt Zojer.

Het concept is vooral interessant voor zonnecellen. In klassieke organische zonnecellen, chemisch verschillende bouwstenen, zogenaamde donoren en acceptanten, worden gebruikt om de door foto gegenereerde elektron-gatparen te scheiden. In de hier voorgestelde aanpak de noodzakelijke lokale verschuiving van energieniveaus vindt plaats vanwege de periodieke rangschikking van polaire groepen. De halfgeleidende gebieden waarop de elektronen en gaten worden verschoven, zijn chemisch identiek. "Op deze manier, we kunnen de energieniveaus quasi-continu en efficiënt verfijnen door de dipooldichtheid te variëren. Dit werk is het hoogtepunt van ons intensieve onderzoek naar het elektrostatisch ontwerp van materialen, ' zegt Zojer.

Elektrostatisch ontwerp in 3D-systemen kan ook de realisatie van complexe kwantumstructuren mogelijk maken, zoals kwantumcascades en kwantumdamborden. "Alleen de verbeeldingskracht van de materiaalontwerper kan grenzen stellen aan ons concept, ' zegt Zojer.