Organische halfgeleiders zijn een opkomende klasse van materialen voor opto-elektronische apparaten zoals zonnecellen en organische lichtemitterende diodes. Daarom is het belangrijk om materiaaleigenschappen af ​​te stemmen op specifieke vereisten zoals efficiënte lichtabsorptie en emissie, lange levensduur in aangeslagen toestand of meer exotische eigenschappen (zoals singlet-splijting). Een van de voordelen van deze organische halfgeleiders ten opzichte van conventionele anorganische halfgeleiders is dat door het ontwerp van de moleculen te veranderen, veel verschillende eigenschappen kunnen worden gegenereerd. Voor zijn Ph.D. onderzoek onderzocht Anton Berghuis veranderende materiaaleigenschappen met behulp van licht.

Vooruitgang in nanofabricagetechnieken maakte het mogelijk om materie te structureren op de schaal van de golflengte van licht. Door dit te doen, kan de interactie van licht en materie worden verbeterd, wat leidt tot interessante nieuwe eigenschappen.

In zijn Ph.D. onderzoek ontwierpen Anton Berghuis en zijn medewerkers een nanostructuur bestaande uit zilveren nanodeeltjes die in een rechthoekig rooster zijn geplaatst, zodat de holte resonanties in het optische regime ondersteunt. Bij het afstemmen van de optische resonantie op de exciton-energie in een organische halfgeleider, kan het licht in de holte en het exciton interageren wanneer de halfgeleider bovenop de holte wordt geplaatst.

Wanneer deze interactie sterker is dan het gemiddelde van de verliezen van het exciton en de holte, resulteert de interactie in een hybridisatie van de exciton- en holtemodus en spreken we van het sterke koppelingsregime. De hybridisatie wordt beschreven door de introductie van een quasi-deeltje genaamd exciton-polariton, met eigenschappen van zowel het exciton als de fotonen in de holte.

Drie ontdekkingen

Berghuis heeft drie ontdekkingen gedaan met betrekking tot deze interactie tussen licht en materie. Ten eerste toonde hij aan dat het mogelijk is om de interactiesterkte tussen de holte en de moleculen af ​​te stemmen door de oriëntatie van de moleculen in de holte te kiezen. Hierdoor konden de absorptie- en emissiespectra van het gekoppelde systeem worden gewijzigd.

Ten tweede merkte Berghuis op dat tetraceenmoleculen in de holte meer licht uitstraalden en het licht over een langere periode uitstraalden. Hoewel het signaal een factor 4 hoger was dan buiten de holte, was de totale emissie nog steeds erg laag. Het fenomeen is echter zeer interessant en zou verder moeten worden onderzocht. Als de emissie-efficiëntie verder kan worden verbeterd, kan dit ontwerp worden toegepast in organische lichtemitterende diodes (OLED's).

Ten slotte onderzocht hij de transportlengte van de gekoppelde exciton-polaritonen, een zeer belangrijke eigenschap voor materialen die worden gebruikt in organische zonnecellen. Het onderzoek toonde aan dat de exciton-polaritonen in de holte tot 100 keer verder reisden in vergelijking met ontkoppelde excitonen. Dit is een veelbelovend resultaat, maar toekomstig onderzoek zou moeten uitwijzen of deze gepropageerde exciton-polaritonen (die gedeeltelijk een fotonisch karakter hebben) kunnen worden overgedragen naar andere moleculen. Als de overdracht van de excitonpolaritonen naar andere moleculen inderdaad efficiënt is, opent dit de mogelijkheid om het ontwerp van organische fotovoltaïsche cellen te verbeteren, wat kan resulteren in een langere levensduur van de zonnecellen zonder verlies van efficiëntie.

Titel van Ph.D. proefschrift:"Sterke licht-materie koppeling in organische kristallen." Begeleiders:Jaime Gómez Rivas en Alberti González Curto. + Verder verkennen

Nieuwe toestanden onthullen in 2D-materialen