Prelomový materiál môže viesť k lacnejším solárny panelom alebo elektronike

LAWRENCE - Predstavte si tlač elektronických zariadení pomocou jednoduchej atramentovej tlačiarne - alebo dokonca solárny panel namaľovaný na stenu budovy.

Takáto technológia by znížila náklady na výrobu elektronických zariadení a umožnila nové spôsoby ich integrácie do nášho každodenného života. Za posledné dve desaťročia boli pre tieto účely vyvinuté materiály nazývané organické polovodiče, vyrobené z molekúl alebo polymérov. Niektoré vlastnosti týchto materiálov však predstavujú veľkú prekážku, ktorá obmedzuje ich široké používanie.

„V týchto materiáloch je elektrón zvyčajne viazaný na svoj náprotivok, chýbajúci elektrón, známy ako „diera“ a nemôže sa voľne pohybovať,“ povedal Wai-Lun Chan, docent fyziky a astronómie na University of Kansas. „Takzvané „voľné elektróny“, ktoré voľne putujú v materiáli a vedú elektrinu, sú zriedkavé a nedajú sa ľahko vytvoriť absorpciou svetla. To bráni použitiu týchto organických materiálov v aplikáciách, ako sú solárne panely, pretože panely vyrobené z týchto materiálov majú často slabý výkon.“

Kvôli tomuto problému vývoj zameriavame na „uvoľňovanie elektrónov“, na vývoj organických polovodičov pre solárne články, svetelné senzory a mnoho ďalších optoelektronických aplikácií, hovorí Chan.

Teraz, dve výskumné skupiny na KU, vedené Chanom a Hui Zhaom, profesorom fyziky a astronómie, efektívne vytvorili voľné elektróny z organických polovodičov, keď boli kombinované s jednou atómovou vrstvou disulfidu molybdénu (MoS2), ktorá je nedávno objaveným dvojrozmerným (2D) polovodičom.

Zavedená 2D vrstva umožňuje elektrónom uniknúť z „otvorov“ a voľne sa pohybovať. Zistenia boli práve publikované v časopise Journal of American Chemical Society, poprednom časopise v oblasti chémie a súvisiacich vied.

Počas niekoľkých posledných rokov mnoho výskumníkov skúmalo, ako môžu byť voľné náboje efektívne generované z hybridných organických-2D rozhraní.

"Jedným z prevládajúcich predpokladov sú voľné elektróny, ktoré môžu byť generované z rozhrania, pokiaľ elektróny môžu byť prenesené z jedného materiálu do druhého v relatívne krátkom čase - menej ako jeden bilióntina sekundy," povedal Chan. „Avšak moji postgraduálni študenti Tika Kafle a Bhupal Kattel a ja sme zistili, že prítomnosť ultra rýchleho prenosu elektrónov sama o sebe nestačí na zaručenie tvorby voľných elektrónov z absorpcie svetla. Je to preto, že „diery“ môžu zabrániť tomu, aby sa elektróny dostali z rozhrania. Či elektrón môže byť bez tejto väzbovej sily, závisí od miestnej energetickej konfigurácie-"terénu-krajinu" v blízkosti rozhrania.“

Chan hovorí, že energetický "terén-krajina" elektrónov možno považovať za topografickú mapu hory.

„Turista si vyberie svoju cestu na základe mapy vrstevníc výšky,“ povedal. „Podobne, pohyb elektrónu na rozhraní medzi týmito dvoma materiálmi je riadený elektrónovou energiou v blízkosti rozhrania.“

Zistenia Chana a Zhaa pomôžu vyvinúť všeobecné zásady, ako navrhnúť „krajinu“ na uvoľnenie elektrónov v takýchto hybridných materiáloch.

Objav sa podaril kombináciou dvoch vysoko komplementárnych experimentálnych nástrojov založených na ultrarýchlych laseroch, fotoemisnej spektroskopii s rozdelením v čase v Chanovom laboratóriu a prechodovej optickej absorpcii v Zhaovom laboratóriu. Obe experimentálne zostavy sa nachádzajú v suteréne budovy Integrated Science Building.

V experimente s fotoemisnou spektroskopiou s rozlíšením v čase Kafle použil ultrakrátky laserový impulz, ktorý trvá len pre 10^-14 sekundy na spustenie pohybu elektrónov. Výhodou takéhoto krátkeho impulzu je, že výskumník presne pozná čas začiatku cesty elektrónov. Kafle potom použil ďalší ultrakrátky laserový impulz na opätovné zasiahnutie vzorky v presne určenom čase vzhľadom na prvý impulz. Tento druhý impulz je dostatočne energický, aby vykopol tieto elektróny zo vzorky. Meraním energie týchto elektrónov (aktuálne vo vákuu) a pomocou princípu zachovania energie vedci dokázali zistiť energiu elektrónov predtým, ako boli vykopnuté, a tak odhaliť cestu týchto elektrónov, pretože boli zasiahnuté prvým impulzom. Táto technika určila energiu excitovaných elektrónov, pohybujúcich sa po rozhraní po absorpcii svetla. Pretože len druhý elektrón v blízkosti predného povrchu vzorky môže byť uvoľnený druhým impulzom, poloha elektrónu voči rozhraniu je tiež odhalená s atómovou presnosťou.

Diplomant Tika Kafle pracuje na zostave fotoemisnej spektroskopie s časovým rozlíšením. Credit: Cody Howard/University of Kansas.

Pri prechodových meraniach optickej absorpcie používali Peng Yao (hosťujúci študent) a absolvent KU Peymon Zereshki, obaja pod dohľadom Zhaoa, aj techniku dvoch impulzov, pričom prvý impulz inicioval pohyb elektrónov rovnakým spôsobom. V ich meraniach však druhý impulz vykonáva "trik" sledovania elektrónov detekciou zlomku druhého impulzu, ktorý sa odráža od vzorky namiesto toho, aby vykopal elektróny.

„Pretože svetlo môže preniknúť na dlhšiu vzdialenosť, meranie môže sledovať elektróny v celej hĺbke vzorky a poskytnúť tak doplňujúce informácie k prvým technikám, ktoré sú viac „citlivé na povrch“,“ povedal Zhao. „Tieto podrobné merania nám umožnili rekonštruovať trajektóriu elektrónu a určiť podmienky, ktoré umožňujú efektívnu tvorbu voľných elektrónov.“

Spolupráca oboch výskumných tímov poskytne návod, ako navrhnúť rozhrania, ktoré môžu premeniť svetlo na elektrický prúd s vysokou účinnosťou. Oba tímy sú financované National Science Foundation through a CAREER Award (Chan) a Condensed Matter Physics Award (Zhao).

Zdroj: today.ku.edu