מדעני מעבדת המחקר הימית של ארה"ב זיהו סוג חדש של ננו-גבישים מוליכים למחצה עם אקסיטונים בהירים של מצב קרקע, שעלולים לחולל מהפכה במכשירים פולטי אור. המחקר שלהם, הכולל מודלים מתקדמים ושיתוף פעולה, מצא חומרים שפולטים אור על פני ספקטרום רחב, ומבטיח התקדמות בנורות LED, תאים סולאריים ופוטו-גלאי. פריצת דרך זו נועדה לפתור את בעיית האקציטון האפל ולעורר מחקר נוסף בננו-מבנים בעלי אקציטון בהירים.
מדעני NRL גילו ננו-גבישים חדשים מוליכים למחצה עם אקסיטונים בהירים של מצב קרקע, שעלולים לחולל מהפכה במכשירים פולטי אור ולפתור את בעיית האקסיטונים הכהים.
מדענים במעבדת המחקר הצי האמריקאי (NRL) אישרו את הזיהוי של סוג חדש של ננו-גבישים מוליכים למחצה עם אקסיטונים בהירים של מצב קרקע. התקדמות משמעותית זו בתחום האופטו-אלקטרוניקה פורסמה לאחרונה בכתב העת האמריקאי לכימיה (ACS), ACS Nano.
המחקר התיאורטי פורץ הדרך עשוי לחולל מהפכה בפיתוח של מכשירים פולטי אור יעילים במיוחד וטכנולוגיות אחרות.
באופן כללי, האקסיטון בעל האנרגיה הנמוכה ביותר בננו-גבישים פולט בצורה גרועה, וזוכה לשם "אקציטון כהה". מכיוון שהוא מאט את פליטת האור, האקציטון הכהה מגביל את הביצועים של מכשירים מבוססי ננו-גביש כמו לייזרים או דיודות פולטות אור (LED). מדענים חיפשו זה מכבר להתגבר על ההתרגשות האפלה.
"יצאנו למצוא חומרים חדשים שבהם סדר האקסיתונים הפוך, כך שהאקסיטון בעל האנרגיה הנמוכה ביותר יהיה בהיר", אמר ג'ון ליונס, Ph.D., מהמדור לתיאוריה של חומרים פונקציונליים מתקדמים. "בחיפוש דרך מאגרי מידע בקוד פתוח של חומרים תוך שימוש בקריטריונים המבוססים על המודלים התיאורטיים שלנו, זיהינו למעלה מ-150 יעדים. צמצמנו את הרשימה הזו עוד יותר עם חישובים מתקדמים של עקרונות ראשונים, והגענו בסופו של דבר ל-28 מועמדים לננו-חומרי ננו-אקסיטונים בהירים".
מייקל סוויפט (משמאל), Ph.D., פיזיקאי מחקר במעבדת מחקר הצי האמריקאי (NRL); ג'ון ליונס (במרכז), Ph.D., מדען פיזיקלי NRL; ואלכסנדר אפרוס, Ph.D., מדען בכיר NRL, מתכנסים לתמונה קבוצתית במתקן למדע וטכנולוגיה של חומרים בוושינגטון הבירה, 25 ביולי 2024. הצוות משתמש בתיאוריה ובסימולציה כדי להבין, לשפר ולפתח חומרים של חשיבות ימית. קרדיט: תמונת הצי האמריקאי מאת שרה פיטרסון
מועמדים מבטיחים עבור ננו-חומרי Bright-Exciton
מודלים מפורטים יותר של חומרים אלה מצביעים על כך שלפחות ארבעה יכולים להניב אקסיטונים בהירים של מצב קרקע בננו-גבישים. "תגלית זו, שנעשתה בשיתוף פעולה עם פרופ' דיוויד נוריס מהמכון הפדרלי לטכנולוגיה (ETH) ציריך ופיטר סרסל, Ph.D., מהמרכז למוליכים למחצה אורגניים-אי-אורגניים היברידיים לאנרגיה (CHOISE), עשויה לסלול את הדרך. לפיתוח מכשירים פולטי אור, לייזרים וטכנולוגיות אחרות, אולטרה-בהירים ויעילים ביותר", אמר ליונס.
אלכסנדר אפרוס, Ph.D., מדען בכיר בחטיבת מדעי החומרים והמחבר הבכיר על המאמר, הרחיב על ההשלכות של המחקר. "במחקר שלנו, זיהינו כמה חומרים בעלי אקציטון בהירים שיכולים לפלוט אור על פני ספקטרום רחב, מאינפרא אדום ועד אולטרה סגול", אמר אפרוס. "רבגוניות זו הופכת אותם לשימושיים מאוד עבור יישומים אופטו-אלקטרוניים. היכולת להנדס ננו-גבישים עם מצבים אקציטוניים בהירים על פני מגוון רחב זה פותחת אפיקים חדשים ליצירת נוריות LED, תאים סולאריים ופוטו-גלאי טובים ויעילים יותר".
על ידי פתרון בעיית האקסיטונים האפלים, מדעני NRL מקווים לעורר את קהילת הננו-חומרים הגדולה לתקוף מבנים ננו-אקסיטונים בהירים, אזור שנתקע במשך זמן רב מדי. כיום, שלושה מהחומרים הללו גדלים ב-NRL כחלק מיוזמת פולטי ננו-קריסטל בהירים של תוכנית המכון למדעי הננו, שמטרתה להדגים באופן סופי התנהגות בהירה-אקסיטונים במעבדה ולמנף אותה לטכנולוגיות ימיות עתידיות.
"הממצאים שלנו מדגימים את הכוח של שילוב של סינון חישובי בתפוקה גבוהה, תיאוריית עט-נייר ו-דיוק חישובים של מבנה אלקטרוני", אמר מייקל סוויפט, Ph.D. "אף טכניקה אחת לא תספיק בפני עצמה, אבל יחד גילינו ננו-גבישים חדשים אולטרה-בהירים ופתחנו את הכוח של האקסיטון הבהיר על פני סוגים לא נחקרים של חומרים."
מדור התיאוריה של חומרים פונקציונליים מתקדמים מבצע מחקר בסיסי ויישומי על מערכות חומרים פונקציונליים, מבניים, ביולוגיים ואלקטרוניים. המדור חלוץ בשיטות חדשות להדמיית חומרים ומערכות, לרבות פיתוח מקורי של טכניקות חישוביות ותיאורטיות, שינוי גישות קיימות ויישום מתודולוגיות מבוססות על חומרים ותחומים חדשים. מטרת המדור היא להשתמש בתיאוריה ובסימולציה כדי להבין, לשפר ולפתח חומרים בעלי חשיבות ימית בהווה ובעתיד.
