09.08.2019
Только представьте себе: вы печатаете электронные устройства с помощью простого струйного принтера или даже рисуете солнечную панель на стене здания. Такая технология позволит снизить стоимость производства электронных устройств и даст новые способы их интеграции в повседневную жизнь. За последние два десятилетия для таких целей был разработан инновационный материал, называемый органическими полупроводниками, состоящий из молекул или полимеров. Но отдельные свойства этих материалов создают препятствия, которые пока ограничивают их широкое использование.
Вот что о них говорит Вай-Лун Чан, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Канзаса: «В этих материалах электрон привязан к своему аналогу, отсутствующему электрону, известному как« дыра », и не может свободно двигаться. Так называемые «свободные электроны», которые блуждают в материале и проводят электричество, являются редкими и не могут быть легко сгенерированы поглощением света. Это препятствует использованию этих органических материалов в таком оборудовании, как солнечные панели, потому что панели из этих материалов имеют плохую производительность».
Из-за этой проблемы «освобождение электронов» было в центре внимания при разработке органических полупроводников для солнечных элементов, датчиков света и других оптоэлектронных приложений.
Но уже сейчас сразу две исследовательские группы по физике в KU, возглавляемые профессорами физики Ченом и Хуэем Чжао, эффективно генерируют свободные электроны из органических полупроводников в сочетании с одним атомным слоем дисульфида молибдена (MoS2), двумерного (2D) полупроводника. Введенный 2D-слой позволяет электронам свободно перемещаться.
«Одним из преобладающих предположений является то, что свободные электроны могут генерироваться на границе раздела, если электроны могут переноситься из одного материала в другой в течение менее одной триллионной доли секунды. Мои аспиранты Тика Кафле и Бхупал Каттель и я обнаружили, что наличия сверхбыстрого переноса электронов недостаточно для генерации свободных электронов от поглощения света. Это потому, что« дыры »могут препятствовать электронам отходить от границы раздела. Может ли электрон освободиться от этой связи, зависит от локального энергетического ландшафта вблизи границы раздела» - сказал Чен.
Чен также сказал, что энергетический ландшафт электронов можно рассматривать как топографическую карту горы. Путешественник выбирает свой путь на основе контурной карты высоты. Так же движение электрона на границе раздела между двумя материалами контролируется энергетическим ландшафтом электронов вблизи границы раздела.
Выводы Чена помогут разработать общие принципы создания «ландшафта» для освобождения электронов в таких гибридных материалах.
Это открытие было сделано путем объединения двух взаимодополняющих экспериментальных инструментов на основе сверхбыстрых лазеров, фотоэмиссионной спектроскопии с временным разрешением в лаборатории Чена и переходного оптического поглощения в лаборатории Чжао.
В эксперименте по фотоэмиссионной спектроскопии с временным разрешением Кафле использовал ультракороткий лазерный импульс, который существует только в течение 10 квадриллионных долей (10-14) секунды, чтобы вызвать движение электронов.
Измеряя энергию этих электронов (в вакууме) и используя принцип сохранения энергии, исследователи смогли выяснить энергию электронов до того, как их выгнали, и таким образом выявить путь этих электронов, так как они пострадали от первого импульса. Этот метод разрешил энергию возбужденных электронов при их перемещении по границе раздела после поглощения света. Поскольку за счет второго импульса могут высвобождаться только электроны вблизи передней поверхности образца, положение электрона относительно границы раздела выявляется с атомной точностью.
«Поскольку свет может проникать на большее расстояние, измерение может исследовать электроны по всей глубине образца и, следовательно, предоставлять дополнительную информацию для первых методов, которые более чувствительны к поверхности », - сказал Чжао.
Работа ученых будет продолжена, и мы все ожидаем, что им все-таки удастся получить материал, который сделает солнечные батареи, а также многие другие электронные приборы, более эффективными и менее дорогими, в производстве.