Вчені довго шукали Святий Грааль чистої електроніки: єдиний органічний матеріал, здатний одночасно випромінювати світло та генерувати електрику без необхідності використання складних сполук або легованих шарів.
Дослідники з Кембридзького університету заявили, що це вдалося, представивши органічний радикальний напівпровідник, здатний розділяти електричні заряди безпосередньо під час поглинання світла. Цей прорив є досягнення, що раніше вважався неможливим для подібних матеріалів.
У дослідженні, опублікованому в журналі Nature Materials, група під керівництвом Кембриджу повідомляє про перше спостереження «власного міжмолекулярного фотоіндукованого поділу зарядів» в органічному радикальному напівпровіднику — матеріалі, побудованому з молекул, кожна з яких містить неспарений електрон.
Це відкриття прокладає шлях до створення нового покоління легких і гнучких пристроїв, здатних як збирати, так і випромінювати світло, потенційно отримуючи енергію від сонячного світла без зовнішніх ланцюгів.
За словами дослідників, ключ до успіху полягає в тому, як їхній матеріал — трифенілзаміщена версія трис(2,4,6-трихлорфеніл)метилу, або «P3TTM», — поводиться при контакті його молекул. Коли світло падає на матеріал, електрони природно переміщаються між сусідніми радикалами, створюючи позитивні та негативні заряди, які можуть рухатися незалежно під дією електричного поля.
По суті, дослідники продемонстрували «гомоперехід» - процес поділу зарядів, що відбувається всередині однієї органічної сполуки.
"Це відкриває можливості для збору світла з використанням однокомпонентних молекулярних напівпровідників", - пишуть дослідники, підкреслюючи, що це явище може усунути необхідність у традиційних багатошарових конструкціях, що використовуються в сонячних елементах і світлодіодах.
«Це справжнє чаклунство», — заявив у прес-релізі співавтор і дослідник з Кавендіської лабораторії Бівен Лі. «У більшості органічних матеріалів електрони об'єднані в пари та не взаємодіють один з одним. Але в нашій системі, коли молекули упаковуються разом, взаємодія між неспареними електронами на сусідніх ділянках спонукає їх шикуватися поперемінно вгору і вниз, що є відмінною рисою поведінки Мотта-Хаббарда. Поглинаючи світло, один із цих електронів перескакує на свого найближчого сусіда, створюючи позитивний та негативний заряди, які можуть бути вилучені для отримання фотоструму (електрики)».
Більшість органічних напівпровідників використовують пари молекул - донора та акцептора - для створення контакту, де фотозбуджені електрони та дірки можуть розділятися. Навпаки, радикальні напівпровідники містять молекули з одним неспареним електроном, що знаходиться на так званій одноразово зайнятій молекулярній орбіталі (ОЗМО).
Традиційно ці радикали цінувалися за яскраве свічення та стабільність, що робило їх перспективними для органічних світлодіодів. Однак їхній потенціал генерації зарядів залишався значною мірою недослідженим.
Експерименти дослідників показують, що при щільній упаковці молекул P3TTM вони спонтанно утворюють пару зарядів після поглинання світла. Використовуючи спектроскопію з часовим дозволом, дослідники спостерігали, що матеріал випромінює два різні кольори: швидке світіння на довжині хвилі 645 нанометрів, за яким слідує затримка випромінювання зі зміщенням у червону область спектра близько 800 нанометрів. Це слабке післясвічення виявилося незаперечним доказом — свідченням рекомбінації між аніонами та катіонами P3TTM або розділеними зарядами.
Подальші випробування з використанням діодних структур - тонкоплівкових пристроїв, виготовлених виключно з P3TTM і ув'язнених між електродами, - показали, що при зворотному зміщенні матеріал може досягати практично 100% ефективності збору заряду. Іншими словами, практично кожен поглинений фотон створює корисний заряд.
Цей результат незвичайний тим, що для поділу зарядів зазвичай потрібний гетероперехід – межа розділу двох матеріалів із різними рівнями енергії. Наприклад, у кремнієвих сонячних елементах світло генерує слабозв'язані електронно-діркові пари, звані екситонами, які мають бути розділені електричним полем або поверхнею розділу матеріалів. Однак у P3TTM цей поділ відбувається природним чином, в межах однієї молекулярної мережі.
Механізм ґрунтується на тонкому балансі електронних енергетичних рівнів. Дослідники виявили, що «додаткова енергія», необхідна для додавання другого електрона до SOMO-орбіталі радикала, нижче енергії вихідного збудженого стану. Це дозволяє фотозбудженому електрону перейти на сусідню молекулу, залишаючи після себе позитивно зарядженого партнера - самостійну аніонно-катіонну пару.
У ході випробувань діодів цей процес, керований радикалами, створював фотострум, що досягав насичення при 45 міліампер на квадратний сантиметр, що значно перевищує характеристики пристроїв керування на основі рубрена, звичайного органічного напівпровідника. Результати підтверджують, що цей ефект притаманний найрадикальнішому матеріалу і не залежить від будь-якого зовнішнього інтерфейсу або легувальної домішки.
Це відкриття може мати важливі наслідки для поновлюваної енергетики та електроніки нового покоління. Можливість генерації електроенергії з однієї органічної плівки може призвести до створення автономних датчиків, медичних пристроїв, що носяться, і навіть OLED-дисплеїв з живленням від сонячної енергії, що не потребують зовнішньої проводки.
Завдяки легкості, гнучкості та потенційно низькій вартості виробництва ці матеріали також можуть допомогти подолати розрив між традиційною кремнієвою фотовольтаїкою та новими органічними оптоелектронними системами.
Крім того, органічні радикали вже вивчаються у квантовій інформатиці, спінтроніці та хіральній оптоелектроніці — областях, де контроль над зарядовими та спіновими взаємодіями має вирішальне значення. Здатність викликати поділ зарядів у радикальній системі може зробити такі технології ефективнішими й надійнішими.
Дослідження також ставить під сумнів давнє припущення у матеріалознавстві про те, що органічні молекули повинні працювати парами для проведення та поділу заряду. Показавши, що один радикальний матеріал може виконувати обидві функції, дослідники Кембриджу відкривають двері новому класу самодостатніх електронних систем.
У загальному підсумку, результати досліджень свідчать про те, що межа між матеріалами, що випромінюють світло, і матеріалами, що поглинають його, може незабаром зникнути. В принципі, можливе створення пристрою, який одночасно світитиметься і живитиме себе, — і все це з використанням одного і того ж матеріалу.
Якщо ця ідея виявиться правдою, скромний органічний радикал може стати основою нового покоління технологій збору енергії. Ці автономні системи можуть скоротити розрив між живим та електронним, наблизивши нас до пристроїв, здатних по-справжньому підтримувати себе самостійно.
"Ми не просто покращуємо старі конструкції", - пояснив співавтор і професор функціональних матеріалів Кембриджа доктор Хьюго Бронштейн. «Ми пишемо новий розділ у підручнику, показуючи, що органічні матеріали здатні генерувати заряди самостійно».
