Il modo in cui funzionano i semiconduttori organici è in gran parte determinato dal loro comportamento nei primi istanti dopo che la luce eccita gli elettroni, formando "eccitoni" nel materiale.

I ricercatori delle Università di Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau e Grenoble-Alpes hanno ora, per la prima volta, ottenuto immagini molto veloci e molto precise di questi eccitoni, accurate fino a un quadrilionesimo di secondo e un miliardesimo di secondo. metro. Questa comprensione è essenziale per lo sviluppo di materiali più efficienti con semiconduttori organici. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications.

Quando la luce colpisce un materiale, alcuni elettroni assorbono l'energia e questo li mette in uno stato eccitato. Nei semiconduttori organici, come quelli utilizzati negli OLED, l'interazione tra gli elettroni eccitati e i "buchi" rimanenti è molto forte e gli elettroni e i buchi non possono più essere descritti come singole particelle. Invece, gli elettroni caricati negativamente e le lacune caricate positivamente si combinano per formare coppie, note come eccitoni.

Comprendere le proprietà quantomeccaniche di questi eccitoni nei semiconduttori organici è stata a lungo considerata una sfida importante, sia da un punto di vista teorico che sperimentale.

Il nuovo metodo fa luce su questo enigma. Wiebke Bennecke, fisico dell'Università di Göttingen e primo autore dello studio, spiega:"Utilizzando il nostro microscopio elettronico a fotoemissione, possiamo riconoscere che le forze attrattive all'interno degli eccitoni cambiano significativamente la loro distribuzione di energia e velocità. Misuriamo i cambiamenti con metodi estremamente alta risoluzione sia nel tempo che nello spazio e confrontarli con le previsioni teoriche della meccanica quantistica."

I ricercatori chiamano questa nuova tecnica tomografia ad eccitoni a fotoemissione. La teoria alla base è stata sviluppata da un team guidato dal professor Peter Puschnig dell'Università di Graz.

Questa nuova tecnica consente agli scienziati, per la prima volta, di misurare e visualizzare la funzione d'onda quantistica degli eccitoni. In parole povere, la funzione d'onda descrive lo stato di un eccitone e determina la sua probabilità di essere presente.

Il Dr. Matthijs Jansen dell'Università di Göttingen spiega l'importanza dei risultati:"Il semiconduttore organico che abbiamo studiato era il buckminsterfullerene, che consiste in una disposizione sferica di 60 atomi di carbonio. La domanda era se un eccitone si troverebbe sempre su una singola molecola o se possa essere distribuito su più molecole contemporaneamente. Questa proprietà può avere una grande influenza sull'efficienza dei semiconduttori nelle celle solari."

La tomografia ad eccitoni a fotoemissione fornisce la risposta:subito dopo che l'eccitone è stato generato dalla luce, viene distribuito su due o più molecole. Tuttavia, nel giro di pochi femtosecondi, ovvero in una piccola frazione di secondo, l'eccitone si riduce nuovamente a una singola molecola.

In futuro, i ricercatori vogliono registrare il comportamento degli eccitoni utilizzando il nuovo metodo. Secondo il professor Stefan Mathias dell'Università di Göttingen questo ha del potenziale:"Vogliamo vedere, ad esempio, come il movimento relativo delle molecole influenza la dinamica degli eccitoni in un materiale. Queste indagini ci aiuteranno a comprendere i processi di conversione dell'energia nei semiconduttori organici. E speriamo che questa conoscenza contribuisca allo sviluppo di materiali più efficienti per le celle solari."