Wetenschap
Spectroscopie en theorie werpen licht op excitonen in halfgeleiders
Van zonnepanelen op onze daken tot de nieuwe OLED TV-schermen, veel alledaagse elektronische apparaten zouden simpelweg niet werken zonder de interactie tussen licht en de materialen waaruit halfgeleiders bestaan. Een nieuwe categorie halfgeleiders is gebaseerd op organische moleculen, die grotendeels uit koolstof bestaan, zoals buckminsterfullereen.
De manier waarop organische halfgeleiders werken wordt grotendeels bepaald door hun gedrag in de eerste momenten nadat licht elektronen exciteert, waardoor 'excitonen' in het materiaal worden gevormd.
Onderzoekers van de universiteiten van Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau en Grenoble-Alpes hebben nu voor het eerst zeer snelle en zeer nauwkeurige beelden van deze excitonen gemaakt – in feite nauwkeurig tot op een biljardste van een seconde en een miljardste van een seconde. meter. Dit inzicht is essentieel voor het ontwikkelen van efficiëntere materialen met organische halfgeleiders. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.
Wanneer licht een materiaal raakt, absorberen sommige elektronen de energie, waardoor ze in een aangeslagen toestand terechtkomen. In organische halfgeleiders, zoals die gebruikt worden in OLED's, is de interactie tussen dergelijke geëxciteerde elektronen en overgebleven "gaten" zeer sterk, en kunnen elektronen en gaten niet langer als individuele deeltjes worden omschreven. In plaats daarvan combineren negatief geladen elektronen en positief geladen gaten paren, ook wel excitonen genoemd.
Het begrijpen van de kwantummechanische eigenschappen van deze excitonen in organische halfgeleiders wordt lange tijd als een grote uitdaging beschouwd, zowel vanuit theoretisch als experimenteel oogpunt.
De nieuwe methode werpt licht op deze puzzel. Wiebke Bennecke, natuurkundige aan de Universiteit van Göttingen en eerste auteur van het onderzoek, legt uit:‘Met behulp van onze foto-emissie-elektronenmicroscoop kunnen we herkennen dat de aantrekkingskrachten binnen de excitonen hun energie- en snelheidsverdeling aanzienlijk veranderen. We meten de veranderingen met uiterst hoge resolutie in zowel tijd als ruimte en vergelijk deze met de theoretische voorspellingen van de kwantummechanica."
De onderzoekers noemen deze nieuwe techniek foto-emissie-excitontomografie. De theorie hierachter is ontwikkeld door een team onder leiding van professor Peter Puschnig aan de Universiteit van Graz.
Met deze nieuwe techniek kunnen wetenschappers voor het eerst de kwantummechanische golffunctie van de excitonen zowel meten als visualiseren. Simpel gezegd beschrijft de golffunctie de toestand van een exciton en bepaalt de waarschijnlijkheid ervan aanwezig te zijn.
Dr. Matthijs Jansen, Universiteit van Göttingen, legt het belang van de bevindingen uit:“De organische halfgeleider die we hebben bestudeerd was buckminsterfullereen, dat bestaat uit een bolvormige opstelling van 60 koolstofatomen. De vraag was of een exciton zich altijd op een enkel molecuul zou bevinden. of dat het over meerdere moleculen tegelijk kan worden verdeeld. Deze eigenschap kan een grote invloed hebben op de efficiëntie van halfgeleiders in zonnecellen."
Foto-emissie-excitontomografie biedt het antwoord:onmiddellijk nadat het exciton door licht is gegenereerd, wordt het over twee of meer moleculen verdeeld. Binnen een paar femtoseconden, dat wil zeggen in een kleine fractie van een seconde, krimpt het exciton echter terug tot één enkel molecuul.
In de toekomst willen de onderzoekers met de nieuwe methode het gedrag van de excitonen vastleggen. Volgens professor Stefan Mathias van de Universiteit van Göttingen heeft dit potentieel:“We willen bijvoorbeeld zien hoe de relatieve beweging van moleculen de dynamiek van excitonen in een materiaal beïnvloedt. Deze onderzoeken zullen ons helpen energieconversieprocessen in organische halfgeleiders te begrijpen. En we hopen dat deze kennis zal bijdragen aan de ontwikkeling van efficiëntere materialen voor zonnecellen."