Các hạt lai truyền ánh sáng Truyền tốc độ năng lượng trong chất bán dẫn hữu cơ

Polaritons cung cấp những gì tốt nhất của hai thế giới rất khác nhau. Các hạt lai này kết hợp ánh sáng và các phân tử vật chất hữu cơ, làm cho chúng trở thành mạch truyền năng lượng lý tưởng trong chất bán dẫn hữu cơ. Chúng đều tương thích với các thiết bị điện tử hiện đại nhưng cũng di chuyển nhanh chóng, nhờ vào nguồn gốc quang tử của chúng.

Tuy nhiên, các hạt phân cực rất khó kiểm soát và phần lớn hành vi của chúng là một bí ẩn.

Một dự án được dẫn đầu bởi Andrew Musser, trợ lý giáo sư hóa học và sinh học hóa học tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật Cornell, đã tìm ra cách điều chỉnh tốc độ của dòng năng lượng này. “Van tiết lưu” này có thể di chuyển các hạt phân cực từ một điểm gần đứng yên đến một thứ tiến tới tốc độ ánh sáng và tăng phạm vi của chúng – một cách tiếp cận cuối cùng có thể dẫn đến các tế bào năng lượng mặt trời, cảm biến và đèn LED hiệu quả hơn.

Bài báo của nhóm, “Điều chỉnh sự lan truyền mạch lạc của các Exciton-Polariton hữu cơ thông qua phân chia trạng thái tối”, được xuất bản vào ngày 27 tháng 4 năm 2022, trên tạp chí Advanced Science . Tác giả chính là Raj Pandya từ Đại học Cambridge.

Trong vài năm qua, Musser và các đồng nghiệp tại Đại học Sheffield đã khám phá ra một phương pháp tạo ra các phân cực thông qua các cấu trúc bánh sandwich nhỏ của gương, được gọi là các lỗ nhỏ, bẫy ánh sáng và buộc nó tương tác với các exciton – những gói năng lượng di động bao gồm liên kết cặp electron-lỗ trống.

Trước đây, họ đã chỉ ra cách các lỗ hổng vi mô có thể giải cứu các chất bán dẫn hữu cơ khỏi “trạng thái tối” mà chúng không phát ra ánh sáng, với ý nghĩa đối với các đèn LED hữu cơ được cải tiến.

Đối với dự án mới, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loạt các xung laser, hoạt động giống như một máy quay video siêu nhanh, để đo trong thời gian thực cách năng lượng di chuyển trong các cấu trúc vi trọng lực. Nhưng cả đội đã đạt được thành công vang dội. Các phân cực rất phức tạp nên ngay cả việc giải thích các phép đo như vậy cũng có thể là một quá trình gian khổ.

“Những gì chúng tôi tìm thấy là hoàn toàn bất ngờ. Chúng tôi đã ngồi trên dữ liệu trong suốt hai năm để suy nghĩ về ý nghĩa của nó, ”Musser, tác giả cấp cao của bài báo cho biết.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng bằng cách kết hợp nhiều gương hơn và tăng hệ số phản xạ trong bộ cộng hưởng vi trọng lực, trên thực tế, họ có thể tăng áp cho các phân cực.

Ông nói: “Cách mà chúng ta thay đổi tốc độ chuyển động của những hạt này về cơ bản vẫn chưa từng có trong tài liệu. “Nhưng bây giờ, chúng tôi không chỉ xác nhận rằng việc đưa vật liệu vào những cấu trúc này có thể khiến các trạng thái di chuyển nhanh hơn và xa hơn nhiều, mà chúng tôi còn có một đòn bẩy để thực sự kiểm soát tốc độ di chuyển của chúng. Điều này cho chúng tôi một lộ trình rất rõ ràng để làm thế nào để cố gắng cải thiện chúng. ”

Trong các vật liệu hữu cơ điển hình, các kích thích cơ bản di chuyển theo thứ tự 10 nanomet trên nano giây, gần tương đương với tốc độ của vận động viên chạy nước rút vô địch thế giới Usain Bolt, theo Musser.

Ông lưu ý rằng điều đó có thể nhanh đối với con người, nhưng nó thực sự là một quá trình khá chậm trên quy mô nano.

Ngược lại, phương pháp tiếp cận vi trọng lực phóng các hạt phân cực nhanh hơn hàng trăm nghìn lần – vận tốc bằng 1% tốc độ ánh sáng. Trong khi thời gian vận chuyển ngắn – thay vì mất ít hơn một nano giây, nó ít hơn pico giây, hoặc nhanh hơn khoảng 1.000 lần – các phân cực di chuyển xa hơn 50 lần.

Musser nói: “Tốc độ tuyệt đối không nhất thiết phải quan trọng. “Điều hữu ích hơn là khoảng cách. Vì vậy, nếu chúng có thể di chuyển hàng trăm nanomet, khi bạn thu nhỏ thiết bị – chẳng hạn, với các đầu cuối cách nhau 10 nanomet – điều đó có nghĩa là chúng sẽ đi từ A đến B mà không bị tổn thất. Và đó thực sự là những gì nó nói về. “

Điều này đưa các nhà vật lý, hóa học và khoa học vật liệu đến gần hơn với mục tiêu tạo ra cấu trúc thiết bị mới, hiệu quả và thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo không bị cản trở bởi quá nhiệt.

Musser nói: “Rất nhiều công nghệ sử dụng exciton thay vì electron chỉ hoạt động ở nhiệt độ lạnh. “Nhưng với chất bán dẫn hữu cơ, bạn có thể bắt đầu đạt được nhiều chức năng thú vị, thú vị ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, những hiện tượng tương tự này có thể tạo ra các loại laser mới, thiết bị mô phỏng lượng tử, hoặc thậm chí cả máy tính. Có rất nhiều ứng dụng cho các hạt phân cực này nếu chúng ta có thể hiểu rõ hơn về chúng ”.

Tham khảo: “Điều chỉnh sự lan truyền mạch lạc của các phân cực hữu cơ thông qua phân định trạng thái tối” của Raj Pandya, Arjun Ashoka, Kyriacos Georgiou, Jooyoung Sung, Rahul Jayaprakash, Scott Renken, Lizhi Gai, Zhen Shen, Akshay Rao và Andrew J. Musser, Ngày 27 tháng 4 năm 2022, Khoa học tiên tiến .
DOI: 10.1002 / advs.202105569

Các đồng tác giả bao gồm Scott Renken, MS ’21 của Musser Group; và các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge, Đại học Sheffield và Đại học Nam Kinh.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Vật lý và Kỹ thuật tại Vương quốc Anh, Đại học Cambridge và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Theo Scitechdaily