Oliver Hofmann e il suo gruppo di ricerca presso l'Istituto di fisica dello stato solido della TU Graz stanno lavorando all'ottimizzazione dell'elettronica moderna. Un ruolo chiave nella loro ricerca è giocato dalle proprietà di interfaccia di materiali ibridi costituiti da componenti organici e inorganici, che vengono utilizzati, Per esempio, in display OLED o celle solari organiche. Il team simula queste proprietà dell'interfaccia con metodi basati sull'apprendimento automatico. I risultati vengono utilizzati nello sviluppo di nuovi materiali per migliorare l'efficienza dei componenti elettronici.

Trasferimento di carica a lungo raggio come oggetto di indagine

I ricercatori si sono ora occupati del fenomeno del trasferimento di carica a lungo raggio. Un trasferimento di elettroni da un materiale all'altro avviene già nello stato spento se ci sono stati energeticamente più favorevoli per gli elettroni nel materiale vicino. Ciò solleva la questione fondamentale di quanto questo trasferimento di elettroni possa estendersi nel materiale organico, cioè quanti strati racchiude. Molti studi riportano che per le interfacce organico-inorganico questo effetto è limitato al primo strato, cioè lo strato in cui le molecole (organiche) sono a diretto contatto con la superficie metallica (inorganica).

D'altra parte, alcuni rapporti presumono che l'effetto si estenda anche su distanze maggiori, al secondo strato o oltre. "Se questo è il caso, l'effetto potrebbe essere utilizzato per ridurre la resistenza elettrica del materiale ibrido, rendendolo più efficiente dal punto di vista energetico, "dice Hofmann, spiegando perché è così interessante.

Il nuovo metodo di esame combina due metodi di apprendimento automatico

Al fine di dimostrare il trasporto di carica a lungo raggio nelle interfacce organico-inorganico, i ricercatori hanno utilizzato i nuovi metodi di apprendimento automatico SAMPLE e BOSS per studiare un'interfaccia rame-tetracianoetilene (TCNE/Cu(111)), "poiché qui sono disponibili dati sperimentali particolarmente forti che indicano il trasporto di carica a lungo raggio, " ha affermato Hofmann. Non esiste una teoria chiara sul perché alcuni sistemi mostrino questo effetto. Hofmann e il suo team volevano "risolvere questo mistero per creare una base su come produrre materiali con le stesse proprietà".

Combinando entrambi i metodi, i ricercatori sono stati in grado di identificare oltre due milioni di potenziali strutture di interfaccia per le interfacce TCNE-Cu e prevedere il comportamento delle molecole in varie condizioni sperimentali. Sorprendentemente, i risultati hanno mostrato che non vi è alcun trasferimento di carica a lungo raggio, ma invece le molecole nel sistema cambiano la loro struttura.

Le molecole cambiano la loro disposizione atomica

Quando le molecole vengono applicate, di solito mantengono la loro disposizione generale e si impacchettano più da vicino fino a quando, ad una certa densità, finalmente iniziano a far crescere il secondo strato. Nel sistema TCNE/Cu(111), però, le molecole adsorbite cambiano dalla posizione originale sdraiata a quella eretta dopo che una certa quantità è stata depositata. Si raddrizzano così per potersi accalcare ancora di più. "Però, le molecole stazionarie hanno un trasferimento di carica completamente diverso rispetto alle molecole sdraiate. La trasformazione strutturale è difficile da rilevare sperimentalmente, ma i risultati della misurazione sono simili a quelli del trasporto di carica a lungo raggio, " spiega Hofmann.

Le indagini confutano l'ipotesi del trasferimento di carica a lungo raggio. L'uso dei metodi combinati di apprendimento automatico SAMPLE e BOSS ha lo scopo di supportare futuri esperimenti nello sviluppo dei materiali in modo tale che tali interpretazioni errate non si verifichino più. Dando uno sguardo più approfondito ai processi fisici, i nuovi processi aiutano a garantire che i materiali non siano più progettati per inseguire un effetto che non esiste in questa forma. Hofmann sottolinea il vantaggio del nuovo metodo:"Grazie ai due metodi, milioni di strutture diverse possono essere simulate in futuro".

I ricercatori della TU Graz hanno recentemente pubblicato i dettagli dello studio in Scienze avanzate .