I semiconduttori organici sono una classe di materiali che trovano applicazione in vari dispositivi elettronici grazie alle loro proprietà uniche. Un attributo che influenza le proprietà optoelettroniche di questi semiconduttori organici è la loro "energia di legame dell'eccitone", ovvero l'energia necessaria per dividere un eccitone nei suoi costituenti negativi e positivi.
Poiché energie di legame elevate possono avere un impatto significativo sul funzionamento dei dispositivi optoelettronici, sono desiderabili energie di legame basse. Ciò può aiutare a ridurre le perdite di energia in dispositivi come le celle solari organiche.
Sebbene siano stati studiati diversi metodi per la progettazione di materiali organici con basse energie di legame, misurare con precisione queste energie rimane una sfida, principalmente a causa della mancanza di tecniche di misurazione dell'energia adeguate.
Facendo avanzare la ricerca in questo campo, un team di ricercatori guidato dal professor Hiroyuki Yoshida della Graduate School of Engineering dell'Università di Chiba, in Giappone, ha ora fatto luce sulle energie di legame degli eccitoni dei semiconduttori organici.
Il loro studio è stato pubblicato online su The Journal of Physical Chemistry Letters . Sono stati coinvolti la Sig.ra Ai Sugie della Graduate School of Engineering dell'Università di Chiba, il Dr. Kyohei Nakano e il Dr. Keisuke Tajima del Center for Emergent Matter Science del RIKEN e il Prof. Itaru Osaka del Dipartimento di Chimica Applicata dell'Università di Hiroshima. Il Prof. Yoshida nell'intraprendere questo studio.
Il Prof. Yoshida afferma:"In questo studio è stata rivelata una natura precedentemente imprevista delle energie di legame degli eccitoni nei semiconduttori organici. Data la natura fondamentale della nostra ricerca, ci aspettiamo effetti persistenti e a lungo termine, sia visibili che invisibili, sulla vita reale". applicazioni."
Il team ha prima misurato sperimentalmente le energie di legame degli eccitoni per 42 semiconduttori organici tra cui 32 materiali per celle solari, sette materiali organici per diodi emettitori di luce e tre composti cristallini di pentacene.
Per calcolare le energie di legame dell'eccitone, i ricercatori hanno calcolato la differenza di energia tra l'eccitone legato e il suo stato di "portatore libero". Mentre il primo è dato dal “gap ottico”, legato all’assorbimento e all’emissione della luce, il secondo è dato dal “gap di trasporto”, che denota l’energia necessaria per spostare un elettrone dal livello energetico legato più alto a quello più basso di energia libera. livello.
La determinazione sperimentale del gap ottico ha coinvolto esperimenti di fotoluminescenza e fotoassorbimento. Nel frattempo, il gap di trasporto è stato calcolato tramite la spettroscopia fotoelettronica ultravioletta e la spettroscopia fotoelettronica inversa a bassa energia, una tecnica sperimentata dal gruppo di ricerca.
L'uso di questo quadro ha consentito al gruppo di ricerca di determinare le energie di legame degli eccitoni con un'elevata precisione di 0,1 elettronvolt (eV). I ricercatori ritengono che questo livello di precisione possa aiutare a discutere la natura degli eccitoni dei semiconduttori organici con una sicurezza molto maggiore rispetto agli studi precedenti.
Inoltre, i ricercatori hanno osservato un aspetto inaspettato della natura delle energie di legame degli eccitoni. Hanno scoperto che l'energia di legame degli eccitoni rappresenta un quarto della banda proibita di trasporto, indipendentemente dai materiali coinvolti.
I risultati di questo studio sono destinati a definire i principi fondamentali relativi all'optoelettronica organica e hanno anche potenziali applicazioni nella vita reale. Ad esempio, si prevede che i principi di progettazione che regolano i dispositivi optoelettronici organici cambieranno favorevolmente.
Inoltre, dato il potenziale di questi risultati di influenzare i concetti nel campo, i ricercatori ritengono che probabilmente questi risultati saranno inclusi anche nei futuri libri di testo.
Il Prof. Yoshida ha concluso:"Il nostro studio contribuisce a far avanzare l'attuale comprensione del meccanismo degli eccitoni nei semiconduttori organici. Inoltre, questi concetti non sono limitati solo ai semiconduttori organici ma possono anche essere applicati a un'ampia gamma di materiali a base molecolare, come come materiali biologici."
Ulteriori informazioni: Ai Sugie et al, Dipendenza dell'energia legante gli eccitoni dal gap di banda dei semiconduttori organici, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02863
Informazioni sul giornale: Giornale di lettere di chimica fisica
Fornito dall'Università di Chiba
