Natuurkundigen van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek (MPI-P) in Mainz hebben ontdekt dat een fenomeen dat wordt waargenomen in bepaalde moleculaire systemen, namelijk het kwantumbevriezen van moleculaire beweging, veel wijdverspreider is dan eerder werd gedacht. . Voor hun onderzoek gebruikte het team röntgenverstrooiingsmethoden met hoge resolutie en computersimulaties. De bevindingen hebben belangrijke implicaties voor het begrijpen hoe organische halfgeleiderverbindingen functioneren. Het onderzoeksteam onder leiding van JGU-natuurkundige professor Silke Biermann rapporteert hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Physics.

Organische materialen, zoals die gevonden worden in plastic elektronica en organische fotovoltaïsche zonne-energie, kunnen net als silicium en andere anorganische materialen als halfgeleiders worden gebruikt. Hun halfgeleidende eigenschappen worden bepaald door hoe hun moleculen zijn gerangschikt en hoe ze in het materiaal bewegen.

Het is bekend dat de energie van de moleculaire trillingen in organische materialen een belangrijke factor is bij het bepalen van hun thermische en elektronische eigenschappen. Het is echter niet bekend in welke mate het kwantumkarakter van deze moleculaire trillingen deze eigenschappen beïnvloedt.

De onderzoekers in Mainz lieten zien dat kwantumeffecten ervoor kunnen zorgen dat de moleculaire trillingen bij voldoende lage temperaturen ‘bevriezen’. Dit fenomeen, bekend als kwantumbevriezing, is al eerder waargenomen, maar alleen in een paar specifieke moleculaire systemen.

Hun doel was om het kwantumbevriezingsgedrag in een breder scala aan organische materialen te onderzoeken. "Alleen dan kunnen zinvolle voorspellingen worden gedaan over de mate waarin kwantumfenomenen de eigenschappen van deze organische materialen beïnvloeden", legt Biermann uit.

Om dit doel te bereiken, gebruikten de onderzoekers röntgenverstrooiingsmethoden met hoge resolutie om de structuur van de organische materialen nauwkeurig te bepalen. De metingen zijn uitgevoerd aan de PETRA III-opslagring bij het Duitse Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg.

"Dankzij de hoge helderheid en focusseerbaarheid van de röntgenstralen konden we de moleculaire structuren tot in de kleinste details bepalen, zelfs bij extreem lage temperaturen", zegt Daniel Tsivion, Ph.D. student in de groep van Biermann.

Om de gegevens te analyseren, werkten de onderzoekers samen met Matthias Schmidt van het MPI-P in Mainz. Ze ontwikkelden geavanceerde computersimulaties, die in staat waren de structuur van het materiaal te reproduceren en de dynamiek van de moleculen erin te simuleren.

Het gecombineerde gebruik van röntgenexperimenten met hoge resolutie en computersimulaties onthulde dat kwantumbevriezing een wijdverbreid fenomeen is in organische materialen, dat voorkomt in een verscheidenheid aan verschillende klassen van verbindingen. Deze bevinding is belangrijk omdat het betekent dat er rekening moet worden gehouden met kwantumeffecten bij het ontwerpen en voorspellen van de eigenschappen van organische halfgeleidermaterialen – materialen die een integraal onderdeel zijn van de vooruitgang in de organische elektronica en organische fotovoltaïsche zonne-energie.

Het onderzoeksteam is nu van plan om de kwantumeffecten in organische materialen verder te onderzoeken, met als doel te begrijpen hoe deze verschijnselen kunnen worden benut om de prestaties en efficiëntie van organische elektronische en opto-elektronische apparaten te verbeteren.