Imagine imprimir dispositivos electrónicos con una impresora de inyección de tinta simple, o incluso pintar un panel solar en la pared de un edificio.
Dicha tecnología reduciría el costo de fabricación de dispositivos electrónicos y permitiría nuevas formas de integrarlos en nuestra vida cotidiana. Durante las últimas dos décadas, se ha desarrollado un tipo de material llamado semiconductores orgánicos, hecho de moléculas o polímeros.propósitos, pero algunas propiedades de estos materiales plantean un obstáculo importante que limita su uso generalizado.
"En estos materiales, un electrón generalmente está unido a su contraparte, un electrón faltante conocido como 'agujero', y no puede moverse libremente", dijo Wai-Lun Chan, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Kansas"Los llamados 'electrones libres', que deambulan libremente en el material y conducen electricidad, son raros y no pueden generarse fácilmente por absorción de luz. Esto impide el uso de estos materiales orgánicos en aplicaciones como paneles solares porque los paneles construidos conestos materiales a menudo tienen un bajo rendimiento "
Debido a este problema, Chan dijo que "liberar los electrones" ha sido un enfoque en el desarrollo de semiconductores orgánicos para células solares, sensores de luz y muchas otras aplicaciones optoelectrónicas.
Ahora, dos grupos de investigación de física en KU, dirigidos por Chan y Hui Zhao, profesor de física y astronomía, han generado efectivamente electrones libres a partir de semiconductores orgánicos cuando se combinan con una sola capa atómica de disulfuro de molibdeno MoS2, dos recientemente descubiertos-dimensional 2D semiconductor.
La capa 2D introducida permite que los electrones escapen de los "agujeros" y se muevan libremente. Los hallazgos acaban de publicarse en el Revista de la Sociedad Americana de Química , una revista líder en química y áreas de ciencias relacionadas.
En los últimos años, muchos investigadores han estado investigando cómo se pueden generar cargos gratuitos de manera efectiva a partir de interfaces híbridas orgánico-2D.
"Una de las suposiciones predominantes es que los electrones libres se pueden generar desde la interfaz siempre que los electrones se puedan transferir de un material a otro en un período de tiempo relativamente corto, menos de una billonésima de segundo", dijo Chan"Sin embargo, mis estudiantes de posgrado Tika Kafle y Bhupal Kattel y yo hemos descubierto que la presencia de la transferencia de electrones ultrarrápida en sí misma no es suficiente para garantizar la generación de electrones libres a partir de la absorción de la luz. Esto se debe a que los 'agujeros' pueden prevenir los electrones.de alejarse de la interfaz. Si el electrón puede estar libre de esta fuerza de unión depende del paisaje energético local cerca de la interfaz ".
Chan dijo que el paisaje energético de los electrones podría verse como un mapa topográfico de una montaña.
"Un excursionista elige su camino en función del mapa de contorno de altura", dijo. "Del mismo modo, el movimiento del electrón en la interfaz entre los dos materiales está controlado por el paisaje de energía electrónica cerca de la interfaz".
Los hallazgos de Chan y Zhao ayudarán a desarrollar principios generales de cómo diseñar el "paisaje" para liberar los electrones en tales materiales híbridos.
El descubrimiento se realizó mediante la combinación de dos herramientas experimentales altamente complementarias basadas en láseres ultrarrápidos, espectroscopía de fotoemisión resuelta en el tiempo en el laboratorio de Chan y absorción óptica transitoria en el laboratorio de Zhao. Ambas configuraciones experimentales se encuentran en el sótano del Integrated Science Building.
En el experimento de espectroscopía de fotoemisión resuelta en el tiempo, Kafle usó un pulso láser ultracorto que solo existe durante 10 cuatrillonésimos 10-14 de segundo para activar el movimiento de los electrones. La ventaja de usar un pulso tan corto es el investigadorconoce con precisión el tiempo de inicio del viaje del electrón. Kafle luego utilizó otro pulso láser ultracorto para golpear la muestra nuevamente en un tiempo controlado con precisión en relación con el primer pulso. Este segundo pulso es lo suficientemente enérgico como para expulsar estos electrones de la muestra.La energía de estos electrones ahora en el vacío y utilizando el principio de conservación de energía, los investigadores pudieron descubrir la energía de los electrones antes de ser expulsados y así revelar el viaje de estos electrones desde que fueron golpeados por el primerpulso. Esta técnica resolvió la energía de los electrones excitados a medida que se mueve a través de la interfaz después de la absorción de luz. Porque solo los electrones cerca de la superficie frontal de la muestrapuede ser liberado por el segundo pulso, la posición del electrón en relación con la interfaz también se revela con precisión atómica.
En las mediciones transitorias de absorción óptica, Peng Yao un estudiante visitante y el graduado de KU, Peymon Zereshki, ambos supervisados por Zhao, también utilizaron una técnica de dos pulsos, con el primer pulso iniciando el movimiento del electrón de la misma manera.En sus mediciones, el segundo pulso hace el truco de monitorear los electrones al detectar la fracción del segundo pulso que se refleja de la muestra, en lugar de expulsar los electrones.
"Debido a que la luz puede penetrar una distancia más larga, la medición puede sondear electrones en toda la profundidad de la muestra y, por lo tanto, proporcionar información complementaria a las primeras técnicas que son más 'sensibles a la superficie'", dijo Zhao. "Estas mediciones detalladas nos permitieronpara reconstruir la trayectoria del electrón y determinar las condiciones que permiten la generación efectiva de electrones libres ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Kansas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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