Crédit :Université du Kansas
Imaginez imprimer des appareils électroniques à l'aide d'une simple imprimante à jet d'encre, ou même peindre un panneau solaire sur le mur d'un bâtiment.
Une telle technologie réduirait le coût de fabrication des appareils électroniques et permettrait de nouvelles façons de les intégrer dans notre vie quotidienne. Au cours des deux dernières décennies, un type de matériau appelé semi-conducteurs organiques, constitué de molécules ou de polymères, a été développé à ces fins. Mais certaines propriétés de ces matériaux constituent un obstacle majeur qui limite leur utilisation généralisée.
« Dans ces matériaux, un électron est généralement lié à son homologue, un électron manquant connu sous le nom de « trou », ' et ne peut pas se déplacer librement, " dit Wai-Lun Chan, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université du Kansas. "Les soi-disant 'électrons libres, ' qui errent librement dans la matière et conduisent l'électricité, sont rares et ne peuvent pas être générés facilement par l'absorption de la lumière. Cela empêche l'utilisation de ces matériaux organiques dans des applications telles que les panneaux solaires, car les panneaux construits avec ces matériaux ont souvent de mauvaises performances. »
A cause de ce problème, Chan a déclaré que "la libération des électrons" a été au centre du développement de semi-conducteurs organiques pour les cellules solaires, capteurs de lumière et de nombreuses autres applications optoélectroniques.
Maintenant, deux groupes de recherche en physique à la KU, dirigé par Chan et Hui Zhao, professeur de physique et d'astronomie, ont effectivement généré des électrons libres à partir de semi-conducteurs organiques lorsqu'ils sont combinés avec une seule couche atomique de bisulfure de molybdène (MoS
La couche 2-D introduite permet aux électrons de s'échapper des "trous" et de se déplacer librement. Les résultats viennent d'être publiés dans le Journal de la société chimique américaine , une revue de premier plan en chimie et interfaçage des domaines de la science.
Au cours des dernières années, de nombreux chercheurs ont étudié comment des frais gratuits peuvent être générés efficacement à partir d'interfaces hybrides organiques-2-D.
"L'une des hypothèses dominantes est que des électrons libres peuvent être générés à partir de l'interface tant que les électrons peuvent être transférés d'un matériau à un autre dans une période de temps relativement courte - moins d'un milliardième de seconde, " dit Chan. " Cependant, mes étudiants diplômés Tika Kafle et Bhupal Kattel et moi-même avons découvert que la présence du transfert d'électrons ultrarapide en soi n'est pas suffisante pour garantir la génération d'électrons libres à partir de l'absorption de la lumière. C'est parce que les « trous » peuvent empêcher les électrons de s'éloigner de l'interface. Que l'électron puisse être libéré de cette force de liaison dépend du paysage énergétique local près de l'interface. »
Chan a déclaré que le paysage énergétique des électrons pouvait être considéré comme une carte topographique d'une montagne.
« Un randonneur choisit son chemin en fonction de la carte des courbes de niveau, " dit-il. " De même, le mouvement de l'électron à l'interface entre les deux matériaux est contrôlé par le paysage énergétique des électrons près de l'interface."
Les découvertes de Chan et Zhao aideront à développer des principes généraux sur la façon de concevoir le « paysage » pour libérer les électrons dans de tels matériaux hybrides.
La découverte a été faite en combinant deux outils expérimentaux très complémentaires basés sur des lasers ultrarapides, spectroscopie de photoémission résolue en temps dans le laboratoire de Chan et absorption optique transitoire dans le laboratoire de Zhao. Les deux installations expérimentales sont situées au sous-sol du bâtiment des sciences intégrées.
Dans l'expérience de spectroscopie de photoémission résolue en temps, Kafle a utilisé une impulsion laser ultracourte qui n'existe que pendant 10 quadrillions (10-14) de seconde pour déclencher le mouvement des électrons. L'avantage d'utiliser une impulsion aussi courte est que le chercheur connaît précisément l'heure de début du voyage de l'électron. Kafle a ensuite utilisé une autre impulsion laser ultracourte pour frapper à nouveau l'échantillon à un moment contrôlé avec précision par rapport à la première impulsion. Cette deuxième impulsion est suffisamment énergétique pour expulser ces électrons de l'échantillon. En mesurant l'énergie de ces électrons (maintenant dans le vide) et en utilisant le principe de conservation de l'énergie, les chercheurs ont pu déterminer l'énergie des électrons avant qu'ils ne soient expulsés et ainsi révéler le parcours de ces électrons depuis qu'ils ont été touchés par la première impulsion. Cette technique a résolu l'énergie des électrons excités lorsqu'ils se déplacent à travers l'interface après l'absorption de la lumière. Parce que seuls les électrons près de la surface avant de l'échantillon peuvent être libérés par la deuxième impulsion, la position de l'électron par rapport à l'interface est également révélée avec une précision atomique.
Dans les mesures d'absorption optique transitoire, Peng Yao (un étudiant invité) et Peymon Zereshki, diplômé de la KU, tous deux supervisés par Zhao, également utilisé une technique à deux impulsions, avec la première impulsion initiant le mouvement des électrons de la même manière. Cependant, dans leurs mesures, la deuxième impulsion fait le tour de la surveillance des électrons en détectant la fraction de la deuxième impulsion qui est réfléchie par l'échantillon, au lieu de chasser les électrons.
"Parce que la lumière peut pénétrer sur une plus longue distance, the measurement can probe electrons in the entire depth of the sample and therefore provide complementary information to the first techniques that are more 'surface sensitive, '" Zhao said. "These detailed measurements enabled us to reconstruct the trajectory of the electron and determine conditions that enable the effective generation of free electrons."
