|
Гибридные экситоны. Сочетание лучшего из двух миров
|
|
|
|
Более быстрые, эффективные и универсальные — таковы ожидания от технологии, которая в будущем будет производить энергию и обрабатывать информацию. Но как эти ожидания могут быть оправданы? В настоящее время международная группа исследователей из университетов Геттингена, Марбурга, Берлинского университета имени Гумбольдта в Германии и Граца в Австрии совершила крупный прорыв в физике.
|
|
|
|
Ученые объединили два весьма перспективных типа материалов — органические полупроводники и двумерные полупроводники - и изучили их совместную реакцию на свет с помощью фотоэлектронной спектроскопии и теории многочастичных возмущений.
|
|
|
|
Это позволило им наблюдать и описывать фундаментальные микроскопические процессы, такие как передача энергии, на границе раздела 2D-органика со сверхбыстрым временным разрешением, составляющим одну квадриллионную долю секунды. Сочетание этих свойств является перспективным для разработки новых технологий, таких как солнечные элементы следующего поколения. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
|
|
|
|
В ходе эксперимента исследователи использовали усовершенствованную форму фотоэлектронной спектроскопии, называемую импульсной микроскопией, чтобы визуализировать электронную структуру в процессе воздействия на нее света. Полученный в результате "фильм" показывает, как экситоны (квантово-механические частицы, состоящие из электрона, связанного с электронно-дырочкой) сначала возбуждаются, а затем преобразуются в новые виды экситонов.
|
|
|
|
|
|
|
Основываясь на уникальных спектроскопических характеристиках каждого вида экситонов и опираясь на теоретические расчеты экситонного ландшафта, исследователи смогли точно увидеть, как энергия поглощается и распределяется по границе раздела 2D-органика. Примечательно, что они обнаружили, что поглощение фотона в двумерном материале может привести к передаче энергии в органический слой менее чем за одну десятитриллионную (10-13) секунды.
|
|
Роль гибридных экситонов
|
|
|
|
"Ключом к такой сверхбыстрой передаче энергии является образование "гибридных экситонов", для которых мы теперь нашли характерный экспериментальный признак", - объясняет профессор Стефан Матиас из Геттингенского университета.
|
|
|
|
Но что такое "гибридные экситоны"? Экситоны образуются в результате поглощения света полупроводниками и, таким образом, играют центральную роль в оптоэлектронных устройствах, таких как солнечные элементы и светодиоды. В зависимости от материала экситоны проявляют очень разные свойства: в органических полупроводниках экситоны обычно неподвижны — они практически застревают на одном месте, — тогда как в двумерных полупроводниках экситоны чрезвычайно подвижны и свободно перемещаются по всему материалу.
|
|
|
|
Однако на границе раздела органического и двумерного полупроводников свойства как материала, так и экситонов могут гибридизоваться, что потенциально приводит к образованию новых, гибридных экситонов. Это именно то, что исследователи наблюдали на границе раздела двумерного материала WSe2 и органического полупроводника PTCDA.
|
|
|
|
Последствия для будущих технологий
|
|
|
|
"Наши результаты позволяют нам лучше понять и эффективно использовать фундаментальные процессы, лежащие в основе передачи энергии и заряда в полупроводниковых наноструктурах. Это важный шаг на пути к созданию эффективных солнечных элементов, сверхбыстрых оптоэлектронных компонентов и новых применений в квантовых технологиях", - объясняет Вибке Беннеке из Геттингенского университета и первый автор исследования, прежде чем добавить: "Поскольку мы отмечаем 100-летие развития квантовой механики, наши результаты убедительно иллюстрируют это актуально сегодня для технологий будущего".
|
|
|
|
Источник
|
