LED-verlichting en monitoren, en kwaliteitszonnepanelen zijn ontstaan ​​uit een revolutie in halfgeleiders die energie efficiënt omzetten in licht of omgekeerd. Nutsvoorzieningen, halfgeleidende materialen van de volgende generatie zijn in aantocht, en in een nieuwe studie, onderzoekers hebben excentrieke fysica ontdekt achter hun potentieel om verlichtingstechnologie en fotovoltaïsche energie opnieuw te transformeren.

Het vergelijken van de kwantumeigenschappen van deze opkomende zogenaamde hybride halfgeleiders met die van hun gevestigde voorgangers is ongeveer hetzelfde als het Bolshoi Ballet vergelijken met springende jacks. Ronddraaiende groepen kwantumdeeltjes golven door de opkomende materialen, creëren, met gemak, zeer wenselijke opto-elektronische (licht-elektronische) eigenschappen, volgens een team van fysisch chemici onder leiding van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology.

Deze zelfde eigenschappen zijn onpraktisch om te bereiken in gevestigde halfgeleiders.

De deeltjes die door deze nieuwe materialen bewegen, betrekken ook het materiaal zelf bij de kwantumactie, verwant aan dansers die de vloer verleiden om met hen te dansen. De onderzoekers waren in staat om patronen in het materiaal te meten die door het dansen werden veroorzaakt en deze te relateren aan de kwantumeigenschappen van het opkomende materiaal en aan de energie die in het materiaal werd geïntroduceerd.

Deze inzichten kunnen ingenieurs helpen om productief te werken met de nieuwe klasse van halfgeleiders.

Ongebruikelijk flexibele halfgeleiders

Het vermogen van het opkomende materiaal om diverse, excentrieke bewegingen van kwantumdeeltjes, analoog aan de dansers, is direct gerelateerd aan zijn ongebruikelijke flexibiliteit op moleculair niveau, analoog aan de dansvloer die meedoet aan de dansen. Daarentegen, gevestigde halfgeleiders hebben starre, rechtlijnige moleculaire structuren die het dansen overlaten aan kwantumdeeltjes.

De klasse van hybride halfgeleiders die de onderzoekers onderzochten, heet halide organisch-anorganisch perovskiet (HOIP), die onderaan in meer detail zal worden uitgelegd, samen met de "hybride" halfgeleideraanduiding, die een kristalrooster - gebruikelijk in halfgeleiders - combineert met een laag innovatief buigend materiaal.

Naast hun belofte van unieke uitstraling en energie-efficiëntie, HOIP's zijn eenvoudig te produceren en toe te passen.

Verf ze op

"Een overtuigend voordeel is dat HOIP's bij lage temperaturen worden gemaakt en in oplossing worden verwerkt, " zei Carlos Silva, een professor in de School of Chemistry and Biochemistry van Georgia Tech. "Het kost veel minder energie om ze te maken, en je kunt grote hoeveelheden maken." Silva leidde het onderzoek samen met Ajay Ram Srimath Kandada van Georgia Tech en het Istituto Italiano di Tecnologia.

Er zijn hoge temperaturen nodig om de meeste halfgeleiders in kleine hoeveelheden te maken, en ze zijn stijf om op oppervlakken aan te brengen, maar HOIP's kunnen worden geverfd om LED's te maken, lasers of zelfs vensterglas dat in elke kleur kan gloeien, van aquamarijn tot fuchsia. Verlichting met HOIP's kan heel weinig energie vergen, en fabrikanten van zonnepanelen kunnen de efficiëntie van fotovoltaïsche energie verhogen en de productiekosten verlagen.

Het team onder leiding van Georgia Tech omvatte onderzoekers van de Université de Mons in België en het Istituto Italiano di Tecnologia. De resultaten zijn op 14 januari gepubliceerd. 2019, in het journaal Natuurmaterialen . Het werk werd gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation, EU Horizon 2020, de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada, de Fond Québécois pour la Recherche, en het Federaal Wetenschapsbeleid.

Quantum jumping jacks

Halfgeleiders in opto-elektronische apparaten kunnen licht omzetten in elektriciteit of elektriciteit in licht. De onderzoekers concentreerden zich op processen die daarmee samenhangen:lichtemissie.

De truc om een ​​materiaal licht te laten uitstralen is, in grote lijnen, om energie toe te passen op elektronen in het materiaal, zodat ze een kwantumsprong maken vanuit hun banen rond atomen en die energie vervolgens als licht uitstralen wanneer ze terugspringen naar de banen die ze hadden verlaten. Gevestigde halfgeleiders kunnen elektronen opsluiten in gebieden van het materiaal die het bewegingsbereik van de elektronen strikt beperken en vervolgens energie op die gebieden toepassen om elektronen gelijktijdig kwantumsprongen te laten maken om nuttig licht uit te zenden wanneer ze tegelijk weer naar beneden springen.

"Dit zijn kwantumbronnen, tweedimensionale delen van het materiaal die deze kwantumeigenschappen beperken om deze specifieke lichtemissie-eigenschappen te creëren, ' zei Silva.

Denkbeeldige opwinding van deeltjes

Er is een potentieel aantrekkelijkere manier om het licht te produceren, en het is een kernkracht van de nieuwe hybride halfgeleiders.

Een elektron heeft een negatieve lading, en een baan die hij verlaat nadat hij door energie is geëxciteerd, is een positieve lading die een elektronengat wordt genoemd. Het elektron en het gat kunnen om elkaar heen draaien en een soort denkbeeldig deeltje vormen, of quasideeltjes, een exciton genoemd.

"De positief-negatieve aantrekkingskracht in een exciton wordt bindingsenergie genoemd, en het is een zeer energierijk fenomeen, waardoor het geweldig is voor het uitstralen van licht, ' zei Silva.

Als het elektron en het gat weer samenkomen, die de bindende energie vrijmaakt om licht te maken. Maar gewoonlijk, excitonen zijn zeer moeilijk te handhaven in een halfgeleider.

"De excitonische eigenschappen in conventionele halfgeleiders zijn alleen stabiel bij extreem lage temperaturen, " zei Silva. "Maar in HOIPs zijn de excitonische eigenschappen zeer stabiel bij kamertemperatuur."

Sierlijke quasideeltjes twirling

Excitonen worden bevrijd van hun atomen en bewegen door het materiaal. In aanvulling, excitonen in een HOIP kunnen rond andere excitonen dwarrelen, vormen quasideeltjes genaamd biexcitonen. En er is meer.

Excitonen draaien ook rond atomen in het materiaalrooster. Net zoals een elektron en een elektrongat een exciton creëren, deze draaiing van het exciton rond een atoomkern geeft aanleiding tot nog een ander quasideeltje dat een polaron wordt genoemd. Al die actie kan ertoe leiden dat excitonen terug naar polaronen gaan. Men kan zelfs spreken van enkele excitonen die een "polaronische" nuance aannemen.

Al die dynamiek wordt nog versterkt door het feit dat HOIP's vol zitten met positief en negatief geladen ionen. De sierlijkheid van deze kwantumdansen heeft een overkoepelend effect op het materiaal zelf.

Golfpatronen resoneren

De ongewone deelname van atomen van het materiaal aan deze dansen met elektronen, excitonen, biexcitons en polarons creëren repetitieve inkepingen op nanoschaal in het materiaal die waarneembaar zijn als golfpatronen en die verschuiven en vloeien met de hoeveelheid energie die aan het materiaal wordt toegevoegd.

"In een grondtoestand, deze golfpatronen zouden er op een bepaalde manier uitzien, maar met extra energie, de excitonen doen de dingen anders. Dat verandert de golfpatronen, en dat is wat we meten, Silva zei. "De belangrijkste observatie in de studie is dat het golfpatroon varieert met verschillende soorten excitonen (exciton, bi-excitatie, polaron/minder polaron)."

De inkepingen grijpen ook de excitonen aan, hun mobiliteit door het materiaal vertragen, en al deze sierlijke dynamiek kan de kwaliteit van de lichtemissie beïnvloeden.

Elastiekje sandwich

Het materiaal, een halogenide organisch-anorganisch perovskiet, is een sandwich van twee anorganische kristalroosterlagen met wat organisch materiaal ertussen - waardoor HOIP's een organisch-anorganisch hybride materiaal zijn. De kwantumactie vindt plaats in de kristalroosters.

De organische laag ertussen is als een vel elastiekjes dat de kristalroosters tot een wiebelige maar stabiele dansvloer maakt. Ook, HOIP's worden samengevoegd met veel niet-covalente bindingen, waardoor het materiaal zacht wordt.

Afzonderlijke eenheden van het kristal nemen een vorm aan die perovskiet wordt genoemd, wat een zeer gelijkmatige diamantvorm is, met een metaal in het midden en halogenen zoals chloor of jodium op de punten, dus "halogenide". Voor deze studie is de onderzoekers gebruikten een 2D-prototype met de formule (PEA)2PbI4.