Представьте себе на минутку, что вы можете печатать электронные устройства с помощью простого струйного принтера или даже создавать солнечные панели прямо в стенах здания.
Такая технология позволит снизить стоимость производства электроники и даст новые способы их интеграции в нашу повседневную жизнь. За последние два десятилетия для подобных целей был разработан новый тип материалов, называемый органическими полупроводниками и состоящий из молекул или полимеров. Но некоторые свойства этих изделий создают серьезные препятствия, которые ограничивают их широкое использование.
«В этих материалах электрон обычно связан со своим аналогом – отсутствующим электроном, известным как «дырка», и не может свободно двигаться», – отмечает Вай-Лун Чан, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Канзаса. «Так называемые “свободные электроны”, которые свободно блуждают в материале и проводят электричество, довольно редки и не могут быть легко сгенерированы поглощением света. Это препятствует использованию этих органических материалов в таких областях, как производство солнечных панелей, потому что панели, созданные из них, часто имеют плохую производительность».
По причине этой проблемы, согласно словам Чена, «освобождение электронов» оказалось в центре внимания, когда началась разработка органических полупроводников для солнечных элементов, датчиков света и многих других оптоэлектронных приложений.
Теперь две исследовательские группы физиков в Университете Канзаса, возглавляемые Чаном и Хуэй Чжао, профессором физики и астрономии, эффективно генерируют свободные электроны из органических полупроводников, объединив их с одним атомным слоем дисульфида молибдена (MoS2), недавно обнаруженного двумерного (2-D) полупроводника.
Введенный двумерный слой позволяет электронам выходить из «дырок» и свободно перемещаться. Результаты были только что опубликованы в издании Journal of American Chemical Society, ведущего журнала в области химии и смежных областей науки.
За последние несколько лет многие исследователи пытались выяснить, как можно эффективно генерировать бесплатные заряды из гибридных органических 2-D интерфейсов.
«Одно из преобладающих предположений заключалось в том, что свободные электроны могут генерироваться из интерфейсов, если электроны будут переноситься из одного материала в другой в течение относительно короткого периода времени – менее одной триллионной доли секунды», – сообщил Чен. «Тем не менее, я и мои аспиранты Тика Кафле и Бхупал Каттель обнаружили, что наличие сверхбыстрого переноса электронов само по себе недостаточно для генерации свободных электронов от поглощения света. Причина в том, что “дырки” могут препятствовать электронам, отходя от интерфейса. Возможность электрона освободиться от этой связующей силы, зависит от локального энергетического ландшафта вблизи интерфейса».
Чен отметил, что энергетический ландшафт электронов можно рассматривать как топографическую карту горы.
«Путешественник выбирает маршрут на основе контурной карты высот», – отметил ученый. «Таким же образом движение электрона в интерфейсе между двумя материалами контролируется энергетическим ландшафтом».
Выводы Чана и Чжао помогут разработать общие принципы создания «ландшафта» для освобождения электронов в подобных гибридных материалах.
Открытие было сделано путем объединения двух весьма взаимодополняющих экспериментальных инструментов на основе сверхбыстрых лазеров, фотоэмиссионной спектроскопии с временным разрешением в лаборатории Чана и переходного оптического поглощения в лаборатории Чжао. Обе экспериментальные установки расположены в подвале Интегрированного научного здания.
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. Преимущество применения такого короткого импульса в том, что исследователь точно знает время начала пути электрона.
Затем Кафле использовал другой ультракороткий лазерный импульс, чтобы снова ударить по образцу в точно контролируемое время относительно первого импульса. Этот второй импульс достаточно заряжен, чтобы выбить эти электроны из образца. Измеряя энергию этих электронов (в вакууме) и используя принцип сохранения энергии, ученые смогли определить энергию электронов до того, как их выбили. Этот метод позволил рассчитать энергию возбужденных электронов при их перемещении по интерфейсу после поглощения света. Поскольку за счет второго импульса могут высвобождаться только электроны вблизи передней поверхности образца, положение электрона относительно интерфейса тоже выявляется с атомной точностью.
В измерениях переходного оптического поглощения Пэн Яо (приглашенный студент) и выпускник Университета Канзаса Пеймон Зерешки тоже использовали двухимпульсную методику, причем первый импульс таким же образом инициировал движение электронов. Тем не менее, при тестировании второй импульс выполнял мониторинг электронов, определяя его долю, которая отражается от образца.
«Поскольку свет может проникать на большее расстояние, измерение помогает исследовать электроны по всей глубине образца и, следовательно, предоставлять дополнительную информацию», – заявил Чжао. «Эти подробные измерения позволили нам восстановить траекторию движения электрона и определить условия, которые позволяют эффективно генерировать свободные электроны».