Organische halfgeleiders zijn een klasse materialen die vanwege hun unieke eigenschappen in verschillende elektronische apparaten worden toegepast. Eén kenmerk dat de opto-elektronische eigenschappen van deze organische halfgeleiders beïnvloedt, is hun 'excitonbindingsenergie', de energie die nodig is om een ​​exciton in zijn negatieve en positieve bestanddelen te verdelen.

Omdat hoge bindingsenergieën een aanzienlijke invloed kunnen hebben op het functioneren van opto-elektronische apparaten, zijn lage bindingsenergieën wenselijk. Dit kan helpen bij het verminderen van energieverliezen in apparaten zoals organische zonnecellen.

Hoewel er verschillende methoden zijn onderzocht voor het ontwerpen van organische materialen met lage bindingsenergieën, blijft het nauwkeurig meten van deze energieën een uitdaging, voornamelijk vanwege het gebrek aan geschikte energiemeettechnieken.

Een team van onderzoekers onder leiding van professor Hiroyuki Yoshida van de Graduate School of Engineering aan de Chiba Universiteit, Japan, bevordert het onderzoek op dit gebied en heeft nu licht geworpen op de excitonbindingsenergieën van organische halfgeleiders.

Hun onderzoek werd online gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters . Mevrouw Ai Sugie van de Graduate School of Engineering van de Chiba Universiteit, Dr. Kyohei Nakano en Dr. Keisuke Tajima van het Center for Emergent Matter Science van RIKEN, en Prof. Itaru Osaka van de Afdeling Toegepaste Scheikunde van de Universiteit van Hiroshima waren betrokken bij Prof. Yoshida bij het uitvoeren van dit onderzoek.

Prof. Yoshida zegt:“In deze studie werd een voorheen onvoorspelbare aard van excitonbindende energieën in organische halfgeleiders onthuld. Gezien de fundamentele aard van ons onderzoek verwachten we langdurige en aanhoudende effecten, zowel zichtbaar als onzichtbaar, op het echte leven. toepassingen."

Het team heeft eerst experimenteel de excitonbindingsenergie gemeten voor 42 organische halfgeleiders, waaronder 32 zonnecelmaterialen, zeven organische lichtgevende diodematerialen en drie kristallijne verbindingen van pentaceen.

Om de excitonbindingsenergieën te berekenen, berekenden de onderzoekers het energieverschil tussen het gebonden exciton en zijn "vrije drager" -toestand. Terwijl de eerste wordt gegeven door de ‘optische kloof’, gekoppeld aan lichtabsorptie en emissie, wordt de laatste gegeven door de ‘transportkloof’, die de energie aangeeft die nodig is om een ​​elektron van het hoogste gebonden energieniveau naar de laagste vrije energie te verplaatsen. niveau.

Experimentele bepaling van de optische opening omvatte fotoluminescentie- en foto-absorptie-experimenten. Ondertussen werd de transportkloof berekend via ultraviolette foto-elektronenspectroscopie en energiezuinige inverse foto-elektronenspectroscopie, een techniek die door de onderzoeksgroep werd ontwikkeld.

Het gebruik van dit raamwerk stelde het onderzoeksteam in staat excitonbindingsenergieën te bepalen met een hoge nauwkeurigheid van 0,1 elektronvolt (eV). De onderzoekers zijn van mening dat dit precisieniveau kan helpen de excitonaard van organische halfgeleiders met veel meer zekerheid te bespreken dan eerdere studies.

Bovendien observeerden de onderzoekers een onverwacht aspect van de aard van excitonbindingsenergieën. Ze ontdekten dat de excitonbindingsenergie een kwart van de transportbandafstand bedraagt, ongeacht de betrokken materialen.

De uitkomsten van deze studie zullen de fundamentele principes met betrekking tot organische opto-elektronica vormgeven en hebben ook potentiële toepassingen in de praktijk. Er wordt bijvoorbeeld verwacht dat de ontwerpprincipes die organische opto-elektronische apparaten reguleren, gunstig zullen veranderen.

Bovendien zijn de onderzoekers, gezien het potentieel van deze bevindingen om concepten binnen het vakgebied te beïnvloeden, van mening dat deze bevindingen waarschijnlijk ook in toekomstige leerboeken zullen worden opgenomen.

Prof. Yoshida concludeerde:"Onze studie draagt ​​bij aan het bevorderen van het huidige begrip van het mechanisme van excitonen in organische halfgeleiders. Bovendien zijn deze concepten niet alleen beperkt tot organische halfgeleiders, maar kunnen ze ook worden toegepast op een breed scala aan op moleculen gebaseerde materialen, zoals als biogerelateerde materialen."

Meer informatie: Ai Sugie et al., Afhankelijkheid van excitonbindende energie op bandgap van organische halfgeleiders, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02863

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry Letters

Aangeboden door Chiba Universiteit