Но фундаментальная наука того, как заставить электроны перемещаться быстро и легко в этих органических материалах, остается темной.Чтобы помочь, Furis и команда материаловедов UVM изобрели новый способ создать то, что они называют «электронную супермагистраль» в одном из этих материалов – недорогой синей краске названной фталоцианином – который обещает позволить электронам течь быстрее и дальше в органических полупроводниках.
Их открытие, сообщил 14 сентября в журнале Nature Communications, поможет в охоте на альтернативы традиционной основанной на кремнии электронике.Холмы и выбоиныМногие из этих типов гибких электронных устройств будут полагаться на тонкие пленки органических материалов, которые ловят солнечный свет и преобразовывают свет в электрический ток, используя взволнованные государства в материале, названном «экситонами».
Примерно говоря, экситон – перемещенный электрон, связанный вместе с отверстием, которое он оставил позади. Увеличение расстояния, которое эти экситоны могут распространить – прежде чем они достигнут соединения, где они разбиты, чтобы произвести электрический ток – важно для повышения эффективности органических полупроводников.Используя новый метод отображения, команда UVM смогла наблюдать наноразмерные дефекты и границы в кристаллическом зерне в тонких пленках фталоцианина – контрольно-пропускные пункты в электронном шоссе. «Мы обнаружили, что у нас есть холмы, через которые электроны должны пробежаться и выбоины, которых они должны избежать», объясняет Фурис.Чтобы найти эти дефекты, команда UVM – при поддержке Национального научного фонда – построила просматривающий лазерный микроскоп, «столь большой, как говорит стол» Фурис.
Инструмент объединяет специализированную форму линейно поляризованного света и фотолюминесценции, чтобы оптически исследовать молекулярную структуру кристаллов фталоцианина.«Бракосочетание на этих двух методах вместе новое; об этом никогда не сообщали нигде», говорит Лейн Мэннинг ’08 докторант в Furis’ лаборатория и соавтор на новом исследовании.Новая техника позволяет ученым более глубокое понимание того, как расположение молекул и границ в кристаллах влияет на движение экситонов.
Именно эти границы формируют «барьер для экситонного распространения», пишет команда.И затем, с этим расширенным представлением, «этот энергетический барьер может быть полностью устранен», пишет команда.
Уловка: очень тщательно управляя, как тонкие пленки депонированы. Используя новую «пишущую ручку» технику с полым капилляром, команда работала в лаборатории преподавателя физики и материаловедения UVM Рэнди Хэдрика, чтобы успешно сформировать фильмы с гигантским кристаллическим зерном и «небольшими угловыми границами». Думайте о них как легких – на пандусах на шоссе – вместо неловкого знака Стоп наверху холма – которые позволяют экситонам перемещаться далеко и быстро.
Лучшие солнечные батареиХотя Коммуникационное исследование Природы сосредоточилось всего на одном органическом материале, фталоцианине, новое исследование обеспечивает сильный способ исследовать много других типов органических материалов, также – с конкретным обещанием для улучшенных солнечных батарей. Недавний американский отчет Министерства энергетики определил одно из фундаментальных узких мест к улучшенным технологиям солнечной энергии как «определение механизмов, которыми поглощенная энергия (экситон) мигрирует через систему до разделения на обвинения, которые преобразованы в электричество».
Новое исследование UVM – во главе с двумя из студентов Фуриса, Зэнвена Пэна Г ’12, и Naveen Rawat G’ 15 – открывает окно, чтобы рассмотреть, как увеличение «дальнего порядка» в органических полупроводниковых фильмах является ключевым механизмом, который позволяет экситонам мигрировать дальше. «Молекулы сложены как блюда в сушилке», объясняет Фурис, «эти сложенные молекулы – эта сушилка – является электронной супермагистралью».Хотя экситоны нейтрально заряжены – и не могут быть выдвинуты напряжением как электроны, текущие в лампочке – они могут, в некотором смысле, подпрыгнуть от одной из этих плотно сложенных молекул к следующему. Это позволяет органическим тонким пленкам нести энергию вдоль этого молекулярного шоссе с относительной непринужденностью, хотя никакое чистое электрическое обвинение не транспортируется.
«Одна из сегодняшних сложных задач – то, как сделать лучшую гелиотехнику и солнечные технологии», говорит Фурис, который направляет программу UVM в области материаловедения, «и сделать это нам нужно более глубокое понимание экситонного распространения. Вот что это значит исследование».