Immagina di stampare dispositivi elettronici utilizzando una semplice stampante a getto d'inchiostro o persino di dipingere un pannello solare sul muro di un edificio.

Tale tecnologia ridurrebbe i costi di produzione dei dispositivi elettronici e consentirebbe nuovi modi per integrarli nella nostra vita quotidiana. Negli ultimi due decenni, un tipo di materiale chiamato semiconduttori organici, costituito da molecole o polimeri, è stato sviluppato per tali scopi. Ma alcune proprietà di questi materiali rappresentano un grosso ostacolo che limita il loro uso diffuso.

"In questi materiali, un elettrone è solitamente legato alla sua controparte, un elettrone mancante noto come "buco, ' e non può muoversi liberamente, " disse Wai-Lun Chan, professore associato di fisica e astronomia presso l'Università del Kansas. "I cosiddetti 'elettroni liberi, ' che vagano liberamente nella materia e conducono elettricità, sono rari e non possono essere generati prontamente dall'assorbimento della luce. Ciò impedisce l'uso di questi materiali organici in applicazioni come i pannelli solari perché i pannelli costruiti con questi materiali hanno spesso scarse prestazioni".

A causa di questo problema, Chan ha detto che "liberare gli elettroni" è stato un obiettivo nello sviluppo di semiconduttori organici per celle solari, sensori di luce e molte altre applicazioni optoelettroniche.

Ora, due gruppi di ricerca in fisica alla KU, guidato da Chan e Hui Zhao, professore di fisica e astronomia, hanno effettivamente generato elettroni liberi da semiconduttori organici quando combinati con un singolo strato atomico di bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ), un semiconduttore bidimensionale (2-D) scoperto di recente.

Lo strato 2-D introdotto consente agli elettroni di fuoriuscire dai "buchi" e di muoversi liberamente. I risultati sono stati appena pubblicati su Journal of American Chemical Society , una rivista leader in chimica e aree di interfacciamento della scienza.

Negli ultimi anni, molti ricercatori hanno studiato come le cariche gratuite possono essere generate in modo efficace da interfacce ibride organiche-2-D.

"Una delle ipotesi prevalenti è che gli elettroni liberi possono essere generati dall'interfaccia purché gli elettroni possano essere trasferiti da un materiale all'altro in un periodo di tempo relativamente breve, meno di un trilionesimo di secondo, " Chan ha detto. "Tuttavia, i miei studenti laureati Tika Kafle e Bhupal Kattel ed io abbiamo scoperto che la presenza del trasferimento di elettroni ultraveloce di per sé non è sufficiente a garantire la generazione di elettroni liberi dall'assorbimento della luce. Questo perché i "buchi" possono impedire agli elettroni di allontanarsi dall'interfaccia. Se l'elettrone può essere libero da questa forza di legame dipende dal panorama energetico locale vicino all'interfaccia".

Chan ha detto che il panorama energetico degli elettroni può essere visto come una mappa topografica di una montagna.

"Un escursionista sceglie il suo percorso in base alla mappa del profilo dell'altezza, " ha detto. "Allo stesso modo, il movimento dell'elettrone all'interfaccia tra i due materiali è controllato dal paesaggio energetico degli elettroni vicino all'interfaccia."

Le scoperte di Chan e Zhao aiuteranno a sviluppare principi generali su come progettare il "paesaggio" per liberare gli elettroni in tali materiali ibridi.

La scoperta è stata fatta combinando due strumenti sperimentali altamente complementari basati su laser ultraveloci, spettroscopia di fotoemissione risolta nel tempo nel laboratorio di Chan e assorbimento ottico transitorio nel laboratorio di Zhao. Entrambi gli allestimenti sperimentali si trovano nel seminterrato dell'Integrated Science Building.

Nell'esperimento di spettroscopia di fotoemissione risolta nel tempo, Kafle ha utilizzato un impulso laser ultracorto che esiste solo per 10 quadrilionesimi (10-14) di secondo per innescare il movimento degli elettroni. Il vantaggio di utilizzare un impulso così breve è che il ricercatore conosce con precisione l'ora di inizio del viaggio dell'elettrone. Kafle ha quindi utilizzato un altro impulso laser ultracorto per colpire nuovamente il campione in un momento accuratamente controllato rispetto al primo impulso. Questo secondo impulso è abbastanza energico da espellere questi elettroni dal campione. Misurando l'energia di questi elettroni (ora nel vuoto) e utilizzando il principio di conservazione dell'energia, i ricercatori sono stati in grado di capire l'energia degli elettroni prima che venissero espulsi e quindi rivelare il viaggio di questi elettroni da quando sono stati colpiti dal primo impulso. Questa tecnica ha risolto l'energia degli elettroni eccitati mentre si muove attraverso l'interfaccia dopo l'assorbimento della luce. Poiché solo gli elettroni vicino alla superficie anteriore del campione possono essere rilasciati dal secondo impulso, anche la posizione dell'elettrone rispetto all'interfaccia è rivelata con precisione atomica.

Nelle misure transitorie di assorbimento ottico, Peng Yao (uno studente in visita) e diplomato KU Peymon Zereshki, entrambi supervisionati da Zhao, utilizzato anche una tecnica a due impulsi, con il primo impulso che inizia il movimento dell'elettrone nello stesso modo. Però, nelle loro misurazioni, the second pulse does the trick of monitoring electrons by detecting the fraction of the second pulse that is reflected from the sample, instead of kicking out the electrons.

"Because light can penetrate a longer 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."