Но фундаментальная наука о том, как заставить электроны двигаться быстро и легко в этих органических материалах, остается туманной.Чтобы помочь, Фурис и команда ученых-материаловедов UVM изобрели новый способ создания того, что они называют «супермагистралью электронов», в одном из этих материалов — дешевом синем красителе, называемом фталоцианином, — который обещает позволить электронам проникать внутрь. текут быстрее и дальше в органических полупроводниках.Их открытие, о котором 14 сентября было сообщено в журнале Nature Communications, поможет в поисках альтернатив традиционной электронике на основе кремния.
Холмы и выбоиныМногие из этих типов гибких электронных устройств будут основываться на тонких пленках органических материалов, которые улавливают солнечный свет и преобразуют свет в электрический ток, используя возбужденные состояния материала, называемые «экситонами». Грубо говоря, экситон — это смещенный электрон, связанный вместе с оставленной им дырой.
Увеличение расстояния, на которое эти экситоны могут диффундировать — до того, как они достигнут точки соединения, где они распадаются на части, чтобы произвести электрический ток — имеет важное значение для повышения эффективности органических полупроводников.Используя новую технику визуализации, команда UVM смогла наблюдать наноразмерные дефекты и границы в кристаллических зернах в тонких пленках фталоцианина — препятствия на пути электронов. «Мы обнаружили, что у нас есть холмы, которые электроны должны преодолевать, и выбоины, которых им нужно избегать», — объясняет Фурис.Чтобы найти эти дефекты, команда UVM — при поддержке Национального научного фонда — построила сканирующий лазерный микроскоп, «размером с стол», — говорит Фурис.
Этот прибор сочетает в себе особую форму линейно поляризованного света и фотолюминесценции для оптического исследования молекулярной структуры кристаллов фталоцианина.«Объединение этих двух методов вместе — новое явление; об этом нигде не сообщалось», — говорит Лейн Мэннинг ’08, докторант лаборатории Фуриса и соавтор нового исследования.Новый метод позволяет ученым глубже понять, как расположение молекул и границ в кристаллах влияет на движение экситонов. Как пишет команда, именно эти границы образуют «барьер для диффузии экситонов».
А затем, с этим улучшенным обзором, «этот энергетический барьер может быть полностью устранен», — пишет команда. Уловка: очень тщательно контролировать процесс нанесения тонких пленок.
Используя новую технику «перьевого письма» с полым капилляром, команда работала в лаборатории профессора физики UVM и материаловедения Рэнди Хедрика, чтобы успешно формировать пленки с крупными кристаллическими зернами и «малоугловыми границами». Думайте об этом как о удобных съездах на шоссе — вместо неудобного знака остановки на вершине холма — которые позволяют экситонам перемещаться далеко и быстро.
Лучшие солнечные батареиХотя исследование Nature Communications было сосредоточено только на одном органическом материале, фталоцианине, новое исследование предоставляет мощный способ изучить и многие другие типы органических материалов, особенно многообещающие для улучшения солнечных элементов.
В недавнем отчете Министерства энергетики США одно из основных препятствий на пути к усовершенствованным технологиям солнечной энергетики определено как «определение механизмов, с помощью которых поглощенная энергия (экситон) проходит через систему до разделения на заряды, которые преобразуются в электричество».Новое исследование UVM, проведенное двумя учениками Фуриса, Женвен Пан G’12 и Навин Рават G’15, открывает окно, в котором показано, как усиление «дальнего порядка» в органических полупроводниковых пленках является ключевым механизмом. что позволяет экситонам перемещаться дальше. «Молекулы уложены друг на друга, как тарелки в стойке для посуды, — объясняет Фурис, — эти уложенные друг на друга молекулы — эта стойка для посуды — это супермагистраль электронов».Хотя экситоны заряжены нейтрально и не могут быть вытолкнуты напряжением, как электроны, протекающие в лампочке, они могут, в некотором смысле, отскакивать от одной из этих плотно уложенных друг к другу молекул. Это позволяет органическим тонким пленкам относительно легко переносить энергию по этой молекулярной магистрали, хотя чистый электрический заряд не переносится.
«Одна из серьезных проблем сегодняшнего дня — как улучшить фотоэлектрические и солнечные технологии, — говорит Фурис, который руководит программой UVM в области материаловедения, — и для этого нам необходимо более глубокое понимание диффузии экситонов. Это то, о чем идет это исследование».