איור המראה אלקטרונים מרגש אור בשתי מולקולות של המוליך למחצה האורגני המכונה buckminsterfullerene. האקסיטון החדש שנוצר (מוצג על ידי הנקודה הבהירה) מופץ תחילה על פני שתי מולקולות לפני שהוא מתיישב על מולקולה אחת (מוצג מימין בתמונה). קרדיט: אנדראס ווינדישבאכר
טכניקת הדמיה חדשה חושפת דינמיקה של אקציטון באורגני מוליכים למחצההמציע תובנות לגבי התכונות הקוונטיות והפוטנציאל שלהם לשיפור חומרים להמרת אנרגיה.
מפאנלים סולאריים על הגגות שלנו ועד למסכי טלוויזיית ה-OLED החדשים, מכשירים אלקטרוניים יומיומיים רבים פשוט לא היו עובדים ללא האינטראקציה בין האור והחומרים המרכיבים את המוליכים למחצה. קטגוריה חדשה של מוליכים למחצה מבוססת על מולקולות אורגניות, המורכבות ברובן מפחמן, כמו buckminsterfullerene. הדרך שבה מוליכים למחצה אורגניים פועלים נקבעת במידה רבה על ידי התנהגותם ברגעים הראשונים לאחר שהאור מעורר אלקטרונים, ויוצרים "אקסיטונים" בחומר.
וויבקה בנקה. קרדיט: Fotostudio Roman Brodel/Braunschweig
חוקרים מאוניברסיטאות גטינגן, גראץ, קייזרסלאוטרן-לנדאו וגרנובל-אלפ יצרו כעת, לראשונה, תמונות מהירות מאוד ומדויקות מאוד של אקסיטונים אלה – למעשה, מדויקות עד לרבעית השנייה (0.000,000,000,000,001 שניות ) ומיליארדית המטר (0.000,000,001 מ'). הבנה זו חיונית לפיתוח חומרים יעילים יותר עם מוליכים למחצה אורגניים.
התוצאות פורסמו לאחרונה בכתב העת המדעי תקשורת טבע.
הבנת Exciton Dynamics
כאשר האור פוגע בחומר, חלק מהאלקטרונים סופגים את האנרגיה וזה מכניס אותם למצב נרגש. במוליכים למחצה אורגניים, כמו אלו המשמשים ב-OLED, האינטראקציה בין אלקטרונים נרגשים כאלה ו"חורים" שנשארו היא חזקה מאוד, ולא ניתן עוד לתאר אלקטרונים וחורים כחלקיקים בודדים. במקום זאת, אלקטרונים בעלי מטען שלילי וחורים בעלי מטען חיובי מתאחדים ויוצרים זוגות, הידועים כאקסיטונים.
הבנת התכונות המכאניות הקוונטיות של אקסיטונים אלו במוליכים למחצה אורגניים נחשבה זה מכבר לאתגר מרכזי – הן מנקודת מבט תיאורטית והן מנקודת מבט ניסיונית.
ד"ר מתייס יאנסן. קרדיט: כריסטינה מולר
השיטה החדשה שופכת אור על חידה זו. Wiebke Bennecke, פיזיקאי מאוניברסיטת גטינגן והמחבר הראשון של המחקר, מסביר: "באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים פליטת פוטו, אנו יכולים לזהות שכוחות המשיכה בתוך האקסיטונים משנים באופן משמעותי את התפלגות האנרגיה והמהירות שלהם. אנו מודדים את השינויים ברזולוציה גבוהה במיוחד בזמן ובמרחב, ומשווים אותם לתחזיות התיאורטיות של מכניקת הקוונטים".
החוקרים מתייחסים לטכניקה החדשה הזו כאל טומוגרפיה של אקציטון פוטו-פליטה. התיאוריה מאחוריה פותחה על ידי צוות בראשות פרופסור פיטר פושניג מאוניברסיטת גראץ.
התקדמות במחקר מוליכים למחצה
הטכניקה החדשה הזו מאפשרת למדענים, בפעם הראשונה, למדוד וגם לדמיין את פונקציית הגלים המכאניים הקוונטיים של האקסיטונים. במילים פשוטות, פונקציית הגל מתארת את מצבו של אקציטון וקובעת את ההסתברות שלו להיות נוכח.
ד"ר Matthijs Jansen, אוניברסיטת גטינגן, מסביר את משמעות הממצאים: "המוליך למחצה האורגני שחקרנו היה buckminsterfullerene המורכב מסידור כדורי של 60 אטומי פחמן. השאלה הייתה האם אקסיטון תמיד יהיה ממוקם על מולקולה בודדת או שהוא יכול להיות מופץ על פני כמה מולקולות בו זמנית. לתכונה זו יכולה להיות השפעה גדולה על היעילות של מוליכים למחצה בתאים סולאריים."
פרופסור סטפן מתיאס. קרדיט: סטפן מתיאס
טומוגרפיה של אקציטון פוטו-פליטה מספקת את התשובה: מיד לאחר שהאקסיטון נוצר על ידי אור, הוא מופץ על פני שתי מולקולות או יותר. עם זאת, תוך כמה פמטו-שניות, כלומר בשבריר שנייה זעיר, האקסיטון מתכווץ בחזרה למולקולה אחת.
בעתיד, החוקרים רוצים לתעד את התנהגות האקסיטונים בשיטה החדשה. לדברי פרופסור סטפן מתיאס, מאוניברסיטת גטינגן, יש בכך פוטנציאל: "לדוגמה, אנו רוצים לראות כיצד התנועה היחסית של מולקולות משפיעה על הדינמיקה של אקסיטונים בחומר. חקירות אלו יעזרו לנו להבין תהליכי המרת אנרגיה במוליכים למחצה אורגניים. ואנו מקווים שהידע הזה יתרום לפיתוח חומרים יעילים יותר לתאים סולאריים".
מחקר זה נהנה ממימון קרן המחקר הגרמנית (DFG) עבור מרכזי המחקר השיתופי "בקרה בקנה מידה אטומי של המרת אנרגיה" ו"מתמטיקה של ניסוי" בגטינגן ו-"Spin+X" בקייזרסלאוטרן-לנדאו. הצוות בגראץ נתמך במימון ממענק ה-ERC Synergy Grant "Orbital Cinema" של האיחוד האירופי.
