Een team van onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin en de Universiteit van Californië, Riverside heeft een manier gevonden om een ​​lang verondersteld fenomeen te produceren:de overdracht van energie tussen silicium en organisch, op koolstof gebaseerde moleculen - in een doorbraak die implicaties heeft voor informatieopslag in kwantumcomputers, zonne-energieconversie en medische beeldvorming. Het onderzoek wordt beschreven in een paper dat vandaag in het tijdschrift verschijnt Natuurchemie .

Silicium is een van de meest voorkomende materialen op aarde en een essentieel onderdeel van alles, van de halfgeleiders die onze computers van stroom voorzien tot de cellen die in bijna alle zonnepanelen worden gebruikt. Voor al zijn capaciteiten, echter, silicium heeft wat problemen als het gaat om het omzetten van licht in elektriciteit. Verschillende kleuren licht bestaan ​​uit fotonen, deeltjes die de energie van licht dragen. Silicium kan rode fotonen efficiënt omzetten in elektriciteit, maar met blauwe fotonen, die twee keer zoveel energie dragen als rode fotonen, silicium verliest het grootste deel van hun energie als warmte.

De nieuwe ontdekking biedt wetenschappers een manier om de efficiëntie van silicium te verhogen door het te combineren met een op koolstof gebaseerd materiaal dat blauwe fotonen omzet in paren rode fotonen die efficiënter door silicium kunnen worden gebruikt. Dit hybride materiaal kan ook worden aangepast om achteruit te werken, rood licht opnemen en omzetten in blauw licht, wat gevolgen heeft voor medische behandelingen en kwantumcomputers.

"Het organische molecuul waarmee we silicium hebben gecombineerd, is een soort koolstofas ​​dat antraceen wordt genoemd. Het is in feite roet, " zei Sean Roberts, een assistent-professor scheikunde aan de UT Austin. Het artikel beschrijft een methode om silicium chemisch te verbinden met antraceen, het creëren van een moleculaire hoogspanningslijn waarmee energie kan worden overgedragen tussen het silicium en de asachtige substantie. "We kunnen dit materiaal nu fijn afstemmen om te reageren op verschillende golflengten van licht. Stel je voor, voor kwantumcomputers, in staat zijn om een ​​materiaal te tweaken en optimaliseren om één blauw foton in twee rode fotonen of twee rode fotonen in één blauw te veranderen. Het is perfect voor het opslaan van informatie."

Al vier decennia lang wetenschappers hebben de hypothese geopperd dat het koppelen van silicium aan een soort organisch materiaal dat blauw en groen licht beter absorbeert, de sleutel zou kunnen zijn tot het verbeteren van het vermogen van silicium om licht in elektriciteit om te zetten. Maar het eenvoudig aanbrengen van de twee materialen bracht nooit de verwachte "spin-triplet-excitonoverdracht, " een bepaald type energieoverdracht van het op koolstof gebaseerde materiaal naar silicium, nodig om dit doel te realiseren. Roberts en materiaalwetenschappers van UC Riverside beschrijven hoe ze de impasse doorbraken met kleine chemische draadjes die silicium nanokristallen verbinden met antraceen, voor het eerst de voorspelde energieoverdracht tussen hen produceren.

"De uitdaging was om paren geëxciteerde elektronen uit deze organische materialen en in silicium te krijgen. Het kan niet worden gedaan door de ene op de andere te deponeren, "Zei Roberts. "Er is een nieuw type chemische interface nodig tussen het silicium en dit materiaal om ze elektronisch te laten communiceren."

Roberts en zijn afgestudeerde student Emily Raulerson hebben het effect gemeten in een speciaal ontworpen molecuul dat hecht aan een silicium nanokristal, de innovatie van medewerkers Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini en Pan Xia van UC Riverside. Met behulp van een ultrasnelle laser, Roberts en Raulerson ontdekten dat de nieuwe moleculaire draad tussen de twee materialen niet alleen snel was, veerkrachtig en efficiënt, het zou effectief ongeveer 90% van de energie van het nanokristal naar het molecuul kunnen overbrengen.

"We kunnen deze chemie gebruiken om materialen te maken die elke kleur licht absorberen en uitstralen, " zei Raulerson, wie zegt dat, met verdere finetuning, vergelijkbare silicium nanokristallen die aan een molecuul zijn vastgemaakt, kunnen een verscheidenheid aan toepassingen genereren, van batterijloze nachtkijkers tot nieuwe miniatuurelektronica.

Andere zeer efficiënte processen van dit soort, genaamd foton up-conversie, voorheen vertrouwden op giftige materialen. Aangezien de nieuwe aanpak uitsluitend gebruik maakt van niet-toxische materialen, het opent de deur voor toepassingen in de menselijke geneeskunde, bio-imaging en ecologisch duurzame technologieën, iets waar Roberts en mede-UT Austin-chemicus Michael Rose naartoe werken.

Bij UC Riverside, Tang's lab was een pionier in het bevestigen van de organische moleculen aan de silicium nanodeeltjes, en Mangolini's groep ontwikkelde de silicium nanokristallen.

"De nieuwigheid is hoe je de twee delen van deze structuur - de organische moleculen en de kwantumbesloten siliciumnanokristallen - kunt laten samenwerken, " zei Mangolini, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde. "We zijn de eerste groep die de twee echt bij elkaar heeft gebracht."