Bilim insanları uzun zamandır temiz elektroniğin kutsal kâsesini arıyorlardı: karmaşık bağlantılara veya katkılı katmanlara ihtiyaç duymadan hem ışık yayan hem de elektrik üretebilen tek, organik bir malzeme.
Şimdi, Cambridge Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, organik bir radikali ortaya çıkararak tam da bunu başardıklarını söylüyorlar. yarı iletken Elektrik yüklerini doğrudan ışık emiliminden ayırma yeteneğine sahiptir. Bu buluş, daha önce bu tür malzemeler için imkansız olduğu düşünülen bir başarıyı temsil ediyor.
Yayınlanan bir çalışmada Doğa MalzemeleriCambridge liderliğindeki ekip, her biri eşleşmemiş bir elektron içeren moleküllerden oluşan bir malzeme olan organik radikal bir yarı iletkende “içsel moleküller arası ışıkla indüklenen yük ayrımının” ilk gözlemini bildirdi.
Keşif, hem hasat yapabilen hem de yayabilen yeni nesil hafif, esnek cihazların önünü açıyor ışıkpotansiyel olarak harici devre olmadan güneş ışığından güç alıyorlar.
Araştırmacılara göre anahtar, tris(2,4,6-triklorofenil)metilin trifenil ile ikame edilmiş versiyonu veya “P3TTM”nin molekülleri temas ettiğinde nasıl davrandığıdır. Işık malzemeye çarptığında, elektronlar doğal olarak komşu radikaller arasında zıplayarak, bir elektrik alanı altında bağımsız olarak hareket edebilen pozitif ve negatif yükler üretiyor.
Aslında araştırmacılar, tek bir organik bileşik içinde meydana gelen bir yük ayırma süreci olan bir “homojunction”ı ortaya çıkardılar.
Araştırmacılar, “Bu, tek malzemeli moleküler yarı iletkenler kullanılarak ışık hasadı olanaklarını açıyor” diye yazıyor ve bu olgunun, güneş pilleri ve LED’lerde kullanılan geleneksel çok katmanlı tasarımlara olan ihtiyacı ortadan kaldırabileceğini vurguluyor.
Cavendish Laboratuvarı’nın ortak yazarı ve araştırmacısı Biwen Li, “Gerçek sihir bu” dedi. basın bülteni. “Çoğu organik materyalde elektronlar eşleşir ve komşularıyla etkileşime girmezler. Ancak sistemimizde, moleküller bir araya toplandığında, komşu bölgelerdeki eşleşmemiş elektronlar arasındaki etkileşim, onları dönüşümlü olarak yukarı ve aşağı hizalamaya teşvik eder; bu, Mott-Hubbard davranışının ayırt edici özelliğidir. Işığı emdikten sonra, bu elektronlardan biri en yakın komşusunun üzerine atlar ve bir fotoakım oluşturmak için çıkarılabilen pozitif ve negatif yükler oluşturur. (elektrik).”
Çoğu organik yarı iletken, ışıkla uyarılan elektronların ve deliklerin ayrılabileceği bir bağlantı noktası oluşturmak için bir donör ve bir alıcı olmak üzere molekül çiftlerine dayanır. Bunun aksine, radikal yarı iletkenler, tek başına işgal edilmiş moleküler yörünge (SOMO) adı verilen yerde bulunan, eşleşmemiş bir elektrona sahip moleküller içerir.
Geleneksel olarak bu radikaller, parlak ışık emisyonları ve kararlılıkları nedeniyle ödüllendiriliyordu ve bu da onları organik LED’ler için umut verici kılıyordu. Ancak yük üretme potansiyelleri büyük ölçüde keşfedilmemiş olarak kaldı.
Araştırmacıların deneyleri, P3TTM moleküllerinin sıkı bir şekilde paketlendiğinde ışığı emdikten sonra kendiliğinden yük çiftleri oluşturduklarını gösteriyor. Zamanla çözümlenen spektroskopiyi kullanan araştırmacılar, malzemenin iki farklı renk yaydığını gözlemledi: 645 nanometrede hızlı bir parıltı ve ardından 800 nanometre civarında gecikmeli kırmızıya kayan emisyon. Sonradan gelen bu zayıf parıltının, P3TTM anyonları ve katyonları arasındaki rekombinasyonun veya ayrılmış yüklerin kanıtı olduğu, dumanı tüten silah olduğu ortaya çıktı.
Diyot yapıları ve yalnızca elektrotlar arasına sıkıştırılmış P3TTM’den yapılmış ince film cihazları kullanılarak yapılan ileri testler, ters öngerilim altında malzemenin neredeyse %100 yük toplama verimliliğine ulaşabileceğini ortaya çıkardı. Başka bir deyişle, soğurulan hemen hemen her foton, kullanılabilir bir yük üretiyordu.
Bu sonucu olağanüstü kılan şey, yük ayrımının tipik olarak farklı enerji seviyelerine sahip iki malzeme arasında bir sınır olan bir heteroeklem gerektirmesidir. Örneğin silikon güneş pillerinde ışık, eksiton adı verilen ve bir elektrik alanı veya malzeme arayüzü tarafından ayrılması gereken, zayıf bağlı elektron-delik çiftleri üretir. Ancak P3TTM’de bu ayrılma aynı moleküler ağ içerisinde doğal olarak gerçekleşir.
Mekanizma, elektronik enerji seviyelerinin hassas bir dengesine dayanır. Araştırmacılar, radikalin SOMO yörüngesine ikinci bir elektron eklemek için gereken “ekstra enerjinin” başlangıçtaki uyarılmış durumun enerjisinden daha düşük olduğunu keşfettiler. Bu, ışıkla uyarılmış elektronun komşu bir moleküle atlamasına ve arkasında pozitif yüklü bir ortak, kendi kendine yeten bir anyon-katyon çifti bırakmasına olanak tanır.
Diyot testlerinde, bu radikal güdümlü süreç, geleneksel bir organik yarı iletken olan rubren ile yapılan kontrol cihazlarının performansını gölgede bırakacak şekilde, santimetre kare başına 45 miliampere doymuş bir fotoakım üretti. Sonuçlar, etkinin herhangi bir dış arayüze veya katkı maddesine bağlı olmadığını, radikal malzemenin kendisine özgü olduğunu doğrulamaktadır.
Keşif olabilirdi önemli çıkarımlar yenilenebilir enerji ve yeni nesil elektronikler için. Tek bir organik filmden elektrik üretme yeteneği, kendi kendine çalışan sensörlerin, giyilebilir tıbbi cihazların ve hatta güneş enerjisiyle şarjın mümkün olmasını sağlayabilir. OLED ekranlar harici kablolama gerektirmeyen.
Malzemelerin hafif, esnek ve üretim maliyetinin düşük olması nedeniyle, geleneksel silikon fotovoltaikler ile yeni ortaya çıkan organik optoelektronik sistemler arasındaki boşluğun kapatılmasına da yardımcı olabilirler.
Ek olarak, kuantum bilgisi, spintronik ve kiral optoelektronik (yük ve spin etkileşimleri üzerinde kontrolün hayati öneme sahip olduğu alanlar) için organik radikaller halihazırda araştırılmaktadır. Yük ayrımını doğrudan radikal bir sistem içerisinde tetikleme yeteneği, bu tür teknolojileri daha verimli ve sağlam hale getirebilir.
Çalışma aynı zamanda malzeme biliminde organik moleküllerin yükü iletmek ve ayırmak için çiftler halinde çalışması gerektiği şeklindeki uzun süredir kabul gören varsayıma da meydan okuyor. Cambridge araştırmacıları, tek bir radikal malzemenin her iki rolü de yerine getirebileceğini göstererek, kendi kendine yeten yeni bir elektronik sistemler sınıfının kapısını açıyor.
Sonuçta bulgular, ışık yayan malzemeler ile onu toplayan malzemeler arasındaki sınırın yakında ortadan kaybolabileceğini gösteriyor. Prensip olarak, aynı malzemeyi kullanarak hem parlayan hem de kendi kendine güç sağlayan bir cihaz yaratmak mümkün olabilir.
Eğer bu vizyon doğru çıkarsa, mütevazi organik radikal, yeni nesil enerji toplama teknolojisinin temeli haline gelebilir. Kendi kendine güç sağlayan bu sistemler, canlılarla elektronik arasındaki uçurumu kapatabilir ve bizi gerçekten kendilerini ayakta tutabilen cihazlara yaklaştırabilir.
Cambridge’deki ortak yazar ve fonksiyonel materyaller profesörü Dr. Hugo Bronstein, “Biz sadece eski tasarımları iyileştirmiyoruz” dedi. “Ders kitabında organik maddelerin kendi başlarına yük oluşturabildiğini gösteren yeni bir bölüm yazıyoruz.”
Tim McMillan emekli bir kolluk kuvveti yöneticisi, araştırmacı muhabir ve The Debrief’in kurucu ortağıdır. Yazıları genellikle savunma, ulusal güvenlik, İstihbarat Topluluğu ve psikoloji ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Tim’i Twitter’da takip edebilirsiniz: @LtTimMcMillan. Tim’e e-posta yoluyla ulaşılabilir: [email protected] veya şifreli e-posta yoluyla: [email protected]
