Le fonctionnement des semi-conducteurs organiques est largement déterminé par leur comportement dans les premiers instants après que la lumière excite les électrons, formant des « excitons » dans le matériau.

Des chercheurs des universités de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau et Grenoble-Alpes ont pour la première fois réalisé des images très rapides et très précises de ces excitons, en fait avec une précision d'un quadrillionième de seconde et d'un milliardième de seconde. mètre. Cette compréhension est essentielle pour développer des matériaux plus efficaces avec des semi-conducteurs organiques. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.

Lorsque la lumière frappe un matériau, certains électrons absorbent l’énergie, ce qui les met dans un état excité. Dans les semi-conducteurs organiques, tels que ceux utilisés dans les OLED, l’interaction entre ces électrons excités et les « trous » restants est très forte, et les électrons et les trous ne peuvent plus être décrits comme des particules individuelles. Au lieu de cela, les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement se combinent pour former des paires, appelées excitons.

Comprendre les propriétés mécaniques quantiques de ces excitons dans les semi-conducteurs organiques a longtemps été considéré comme un défi majeur, tant d'un point de vue théorique qu'expérimental.

La nouvelle méthode met en lumière cette énigme. Wiebke Bennecke, physicien à l'université de Göttingen et premier auteur de l'étude, explique :« Grâce à notre microscope électronique à photoémission, nous pouvons reconnaître que les forces d'attraction au sein des excitons modifient considérablement leur distribution d'énergie et de vitesse. haute résolution dans le temps et dans l'espace et comparez-les avec les prédictions théoriques de la mécanique quantique."

Les chercheurs appellent cette nouvelle technique la tomographie par exciton par photoémission. La théorie sous-jacente a été développée par une équipe dirigée par le professeur Peter Puschnig de l'Université de Graz.

Cette nouvelle technique permet, pour la première fois, aux scientifiques de mesurer et de visualiser la fonction d'onde de la mécanique quantique des excitons. En termes simples, la fonction d'onde décrit l'état d'un exciton et détermine sa probabilité d'être présent.

Le Dr Matthijs Jansen, de l'Université de Göttingen, explique l'importance de ces résultats :« Le semi-conducteur organique que nous avons étudié était le buckminsterfullerène, qui consiste en un arrangement sphérique de 60 atomes de carbone. La question était de savoir si un exciton serait toujours situé sur une seule molécule. ou s'il pourrait être distribué simultanément sur plusieurs molécules. Cette propriété peut avoir une influence majeure sur l'efficacité des semi-conducteurs dans les cellules solaires. "

La tomographie des excitons par photoémission apporte la réponse :immédiatement après que l’exciton est généré par la lumière, il est distribué sur deux ou plusieurs molécules. Cependant, en quelques femtosecondes, c'est-à-dire en une infime fraction de seconde, l'exciton se réduit à une seule molécule.

À l’avenir, les chercheurs souhaitent enregistrer le comportement des excitons grâce à cette nouvelle méthode. Selon le professeur Stefan Mathias, de l'université de Göttingen, cela présente un potentiel :« Par exemple, nous voulons voir comment le mouvement relatif des molécules influence la dynamique des excitons dans un matériau. Ces recherches nous aideront à comprendre les processus de conversion d'énergie dans les semi-conducteurs organiques. Et nous espérons que ces connaissances contribueront au développement de matériaux plus efficaces pour les cellules solaires."