Opto-elektronica-technologie die afgeeft, detecteert, of regelt licht - worden overal in moderne elektronica gebruikt en omvatten apparaten zoals lichtgevende diodes (LED's) en zonnecellen. Binnen deze apparaten de beweging van excitonen (paren van negatieve elektronen en positieve gaten) bepaalt hoe goed het apparaat presteert.

Tot nu, de afstand die excitonen konden afleggen in conventionele opto-elektronische systemen was ongeveer 30-70 nanometer, en er was geen manier om direct voor te stellen hoe de excitonen bewegen. In een recent gepubliceerd onderzoek in ACS Nano , een team van Foundry-onderzoekers heeft een nanokristalsysteem ontworpen en gemaakt waarin excitonen een recordafstand van 200 nanometer kunnen verplaatsen, een orde van grootte groter dan voorheen mogelijk was. Ze bouwden ook een aangepaste microscoop die de beweging van excitonen direct kan afbeelden.

"De wetenschappelijke prestatie is dat we een kunstmatig systeem hebben gevonden waarin een exciton over zeer lange afstanden van kristal naar kristal springt, tien keer verder dan eerder bereikt, " zei Alex Weber-Bargioni, faciliteitsdirecteur van de Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry en hoofdonderzoeker van de studie. "Dan is er de technische prestatie - we zijn in staat om de beweging van de excitonen direct in beeld te brengen om hun gedrag beter te begrijpen."

Hun systeem bestaat uit kleine kristallen van perovskieten, een klasse van kristallen die in opkomst zijn als veelbelovende materialen voor opto-elektronische apparaten.

"Perovskiet nanokristallen vormen zich in een kubusvorm, waardoor ze gemakkelijk samen te pakken zijn, " legde Monica Lorenzon uit, een postdoctoraal onderzoeker bij de Foundry en een auteur van dit werk. "Maar dat doen ze van nature niet over lange afstanden." Lorenzon beschreef hoe haar collega Erika Penzo, eerste auteur van het artikel, een siliciumoppervlak gecoat met een polymeer dat chemische groepen bevat waaraan de perovskiet-nanokristallen zich zouden hechten, vormen een enkele laag perovskiet-nanokristallen die stevig op elkaar zijn gepakt. Dit oppervlakte-engineeringproces resulteerde in een nanokristalsysteem waarin excitonen zich over zeer lange afstanden van kristal naar kristal konden verplaatsen.

Dit systeem bood de onderzoekers een bruikbare case study om te kijken hoe excitonen bewegen, of diffuus, in meer diepte. "In de opto-elektronica of u nu licht omzet in elektriciteit of omgekeerd, je wilt de diffusie van excitonen kunnen afstemmen en regelen, omdat ze de bemiddelaar zijn van het licht en de elektronica.'zei Weber-Bargioni. 'Dus het is erg handig om te begrijpen hoe ver en hoe snel excitonen bewegen.'

Vroeger, excitonbeweging werd gemeten door defecten toe te voegen, onvolkomenheden in een kristal die excitonen opsluiten. Onderzoekers konden de beweging van excitonen indirect volgen door monsters met verschillende hoeveelheden defecten te vergelijken. "Maar ons systeem is veel directer, " legde Lorenzon uit. "We kunnen de excitonbeweging daadwerkelijk visualiseren door deze rechtstreeks in beeld te brengen met een op maat gemaakte microscoop. Deze methode resulteert ook in nauwkeurigere metingen, vergeleken met het bereik van diffusielengtes die op de indirecte manier kunnen worden gemeten."

Het basisprincipe van de microscoop is dat een laser wordt gebruikt om het materiaal te exciteren (energie over te dragen), resulterend in een opgewonden plek. Als deze energie vrijkomt, de fotoluminescentie (licht afgegeven door het materiaal) op dezelfde plaats zal een bredere plek zijn, als een druppel water op een papieren handdoek die na verloop van tijd naar buiten uitzet. Door de aangeslagen plek te vergelijken met de fotoluminescentievlek, de gemiddelde afstand die excitonen bewegen kan worden gemeten, resulterend in de record diffusielengte van 200 nanometer. "We raken het monster met een laserstraal en als we het laserlicht uitfilteren en we kijken naar het fotoluminescentielicht, we krijgen een veel bredere plek - dat zijn de excitonen die over het monster diffunderen, ’ legde Lorenzon uit.

Door tijdresolutie toe te voegen, de microscoop kan ook kijken naar de dynamiek van de excitonen, en het bleek dat ze eerst snel diffunderen en daarna vertragen. Dit verbeterde begrip van hoe excitonen bewegen, kan de prestaties van opto-elektronische apparaten helpen verbeteren, waar het nuttig is om excitondiffusielengtes af te stemmen voor verschillende toepassingen, zoals het hebben van lange diffusielengtes in zonnecellen en korte diffusielengtes in LED's.

In een vervolg op dit onderzoek, onderzochten de onderzoekers verschillende methoden (plasma vs. thermisch) voor het toevoegen van een dunne, beschermende laag op de perovskiet nanokristallen. Doordat deze beschermende laag de nanokristallen langer laat leven, de excitonen kunnen grotere afstanden afleggen, wat resulteerde in een nog langere exciton-diffusielengte van 480 nanometer.

De aangepaste microscoop werd ook verbeterd om energieresolutie op te nemen. Hieruit bleek dat de energie hetzelfde blijft als excitonen door het monster bewegen dat is gecoat via het plasmaproces, terwijl de energie afneemt als excitonen vast komen te zitten in defecten en grote kristallen gevormd door gesmolten nanokristallen in het monster dat is gecoat via het thermische proces. Dit werk is onlangs geaccepteerd in Advanced Optical Materials.

Vooruit gaan, de onderzoekers zijn geïnteresseerd in het bekijken van verschillende klassen materialen en verschillende soorten exciton-diffusie met behulp van hun microscoop. Ze willen ook onderzoeken of de beweging van excitonen coherent kan zijn, of synchroon met elkaar bewegen.