新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学 带来改进能量转换材料的潜力

从我们屋顶上的太阳能电池板到新型 OLED 电视屏幕，如果没有光与构成半导体的材料之间的相互作用，许多日常电子设备根本无法工作。一类新的半导体是基于有机分子的，这种分子主要由碳组成，如"巴克明斯特富勒烯"（buckminsterfullerene）。有机半导体的工作方式在很大程度上取决于它们在光激发电子、在材料中形成"激子"后最初片刻的行为。

图示：光激发有机半导体 "巴克明斯特富勒烯"两个分子中的电子。新形成的激子（如亮点所示）首先分布在两个分子上，然后才落在一个分子上（如图中右侧所示）。资料来源：Andreas Windischbacher

新的成像技术揭示了有机半导体中的激子动力学，有助于深入了解其量子特性和改进能量转换材料的潜力。

Wiebke Bennecke。图片来源：Fotostudio Roman Brodel/Braunschweig

哥廷根大学、格拉茨大学、凯泽斯劳滕-朗道大学和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员现在首次非常快速、非常精确地拍摄到了这些激子的图像--事实上，精确度达到了四十亿分之一秒（0.000,000,000,000,001s）和十亿分之一米（0.000,000,001m）。这种认识对于开发更高效的有机半导体材料至关重要。

相关成果最近发表在科学杂志《自然通讯》上。

了解激子动力学

当光线照射到材料上时，一些电子会吸收能量，从而进入激发态。在有机半导体（如有机发光二极管中使用的半导体）中，这些受激电子和剩余"空穴"之间的相互作用非常强烈，电子和空穴不再能被描述为单独的粒子。相反，带负电荷的电子和带正电荷的空穴结合成对，称为激子。

长期以来，从理论和实验角度理解有机半导体中这些激子的量子力学特性一直被认为是一项重大挑战。

Matthijs Jansen 博士。图片来源：Christina Möller

新方法揭示了这一难题。该研究的第一作者、哥廷根大学物理学家 Wiebke Bennecke 解释说："利用我们的光发射电子显微镜，我们可以发现激子内部的吸引力极大地改变了它们的能量和速度分布。我们以极高的时间和空间分辨率测量了这些变化，并将它们与量子力学的理论预测进行了比较"。

研究人员将这种新技术称为光发射激子层析成像技术。其背后的理论是由格拉茨大学的 Peter Puschnig 教授领导的团队开发的。

半导体研究进展

这项新技术使科学家们首次能够测量和观察激子的量子力学波函数。简单地说，波函数描述了激子的状态，并决定了其存在的概率。

哥廷根大学的 Matthijs Jansen 博士解释了这一发现的意义："我们研究的有机半导体是由 60 个碳原子组成的球形排列的富勒烯。问题是激子是否总是位于单个分子上，还是可以同时分布在多个分子上。这一特性会对太阳能电池中半导体的效率产生重大影响。"

斯特凡-马蒂亚斯教授。图片来源：Stefan Mathias

光发射激子层析技术提供了答案：激子在光的作用下产生后，立即分布在两个或更多的分子上。然而，在几个飞秒内，也就是在一秒钟的极小部分内，激子就会缩回到单个分子。

未来，研究人员希望利用这种新方法记录激子的行为。哥廷根大学的斯特凡-马蒂亚斯（Stefan Mathias）教授认为，这很有潜力："例如，我们希望了解分子的相对运动如何影响材料中激子的动力学。这些研究将有助于我们了解有机半导体的能量转换过程。我们希望这些知识将有助于开发更高效的太阳能电池材料"。

编译自:ScitechDaily