نوشتهی دانشگاه گوتینگن، ۲۱ دسامبر ۲۰۲۵، نمایش هنری تابع موج اکسیتون هیبریدی، با الکترون نشان داده شده به رنگ قرمز و توزیع حفره به صورت ابر آبی. منبع: لوکاس کرول
یک تیم تحقیقاتی یک حالت کوانتومی منحصر به فرد را در سطح مشترک بین مواد آلی و نیمهرساناهای دوبعدی کشف کرده است.
فناوریهای سریعتر، کارآمدتر و سازگارتر به طور گسترده برای آیندهی تولید انرژی و پردازش اطلاعات ضروری تلقی میشوند. با این حال، دستیابی به این اهداف نیازمند روشهای جدیدی برای درک چگونگی رفتار مواد در کوچکترین مقیاسها است. یک تیم تحقیقاتی بینالمللی از دانشگاههای گوتینگن، ماربورگ، دانشگاه هومبولت برلین در آلمان و دانشگاه گراتس در اتریش اکنون از پیشرفت قابل توجهی در این زمینه خبر دادهاند.
محققان دو دسته از مواد را که در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کردهاند، گرد هم آوردهاند: نیمهرساناهای آلی و نیمهرساناهای دوبعدی. با بررسی چگونگی واکنش این سیستم ترکیبی به نور، با استفاده از طیفسنجی فوتوالکترون به همراه نظریه اختلال چندجسمی، آنها توانستند فرآیندهای فوق سریع را در مرز بین دو ماده بررسی کنند. این اندازهگیریها رویدادهایی را که در عرض یک کوادریلیونیم ثانیه رخ میدهند، ثبت میکنند و دید مستقیمی از انتقال انرژی میکروسکوپی ارائه میدهند.
این ترکیب منحصر به فرد از خواص مواد میتواند دریچهای به سوی فناوریهای جدید، از جمله سلولهای خورشیدی کارآمدتر، باز کند. این یافتهها در مجله Nature Physics منتشر شده است.
برای انجام این مطالعه، تیم به یک تکنیک تخصصی معروف به میکروسکوپی تکانه، که نوعی پیشرفته از طیفسنجی فوتوالکترون است، تکیه کرد. این روش به آنها اجازه داد تا تغییرات در ساختار الکترونیکی مواد را در حین تعامل نور با آنها در زمان واقعی ردیابی کنند.
این دادهها را میتوان به عنوان یک “فیلم” در نظر گرفت که نشان میدهد چگونه اکسایتونها (ذرات مکانیکی کوانتومی متشکل از یک الکترون متصل به یک الکترون-حفره) توسط نور ایجاد میشوند و سپس به انواع مختلف حالتهای اکسایتون تکامل مییابند.
با شناسایی امضاهای طیفسنجی متمایز مرتبط با هر نوع اکسیتون و مقایسه آنها با مدلهای نظری دقیق از چشمانداز اکسیتون، محققان توانستند نحوه حرکت انرژی در سطح مشترک دوبعدی-آلی را دنبال کنند. یکی از نتایج کلیدی نشان داد که وقتی یک فوتون توسط ماده دوبعدی جذب میشود، انرژی میتواند در کمتر از یک ده تریلیونیوم (10-13) ثانیه به لایه آلی منتقل شود.
پروفسور استفان ماتیاس، دانشگاه گوتینگن، توضیح میدهد: «کلید این انتقال انرژی فوق سریع، تشکیل «اکسیتونهای هیبریدی» است که اکنون یک امضای تجربی آشکار برای آن پیدا کردهایم.»
اما «اکسیتونهای هیبریدی» دقیقاً چیستند؟
اکسیتونها با جذب نور در نیمهرساناها ایجاد میشوند و بنابراین نقش محوری در دستگاههای اپتوالکترونیکی مانند سلولهای خورشیدی و دیودهای ساطعکننده نور دارند.
بسته به نوع ماده، اکسیتونها خواص بسیار متفاوتی از خود نشان میدهند: در نیمهرساناهای آلی، اکسیتونها معمولاً بیحرکت هستند – آنها در یک مکان بسیار گیر کردهاند – در حالی که اکسیتونها در نیمهرساناهای دوبعدی بسیار متحرک هستند و آزادانه در سراسر ماده شناورند.با این حال، در سطح مشترک یک نیمهرسانای آلی و دوبعدی، هم خواص ماده و هم خواص اکسیتونها ممکن است با هم ترکیب شوند و به طور بالقوه منجر به تشکیل اکسیتونهای جدید و هیبریدی شوند.
این دقیقاً همان چیزی است که محققان در سطح مشترک ماده دوبعدی WSe2 و نیمهرسانای آلی PTCDA مشاهده کردند.
ویبکه بنکه، از دانشگاه گوتینگن و نویسنده اول این مطالعه، توضیح میدهد: «نتایج ما به ما این امکان را میدهد که فرآیندهای اساسی پشت انتقال انرژی و بار در نانوساختارهای نیمههادی را بهتر درک و به طور مؤثر مهار کنیم. این یک گام اساسی در جهت توسعه سلولهای خورشیدی کارآمد، اجزای اپتوالکترونیکی فوق سریع و کاربردهای جدید در فناوری کوانتومی است.» ویبک بنکه، دانشگاه گوتینگن و نویسنده اول این مطالعه، قبل از افزودن افزود: «همانطور که ما صدمین سالگرد توسعه مکانیک کوانتومی را گرامی میداریم، یافتههای ما به طور قدرتمندی اهمیت آن را برای فناوری آینده در دنیای امروز نشان میدهد.»
