A tiszta elektronika szent grálja régóta foglalkoztatja a tudósokat: létezik-e olyan egyetlen, organikus anyag, amely egyszerre képes fényt kibocsátani és elektromosságot termelni, bonyolult rétegek vagy dopált határfelületek nélkül? A Cambridge-i Egyetem kutatói most azt állítják, hogy megtalálták ezt a csodát – egy olyan organikus radikális félvezetőt, amely közvetlenül a fényelnyelésből képes elektromos töltéseket szétválasztani. Ez az áttörés korábban lehetetlennek tartott jelenséget valósított meg.
Az áttörés háttere és jelentősége
A Nature Materials folyóiratban megjelent tanulmányban a Cambridge-i kutatócsoport először figyelte meg az úgynevezett „intrinzik intermolekuláris fotoindukált töltésszétválasztást” egy organikus radikális félvezetőben. Ez az anyag olyan molekulákból áll, amelyek mindegyike egyetlen párosítatlan elektront tartalmaz.
Ez a felfedezés új utakat nyithat a könnyű, hajlékony eszközök fejlesztésében, amelyek egyszerre képesek fényt gyűjteni és kibocsátani, akár napfényből önmagukat is táplálva külső áramkörök nélkül.
A P3TTM anyag különleges tulajdonságai
A kulcs a kutatók által használt anyagban rejlik: egy triphenil-helyettesített változatában a tris(2,4,6-triklorofenil)methyl nevű molekulának, röviden „P3TTM”. Amikor ennek az anyagnak a molekulái érintkeznek egymással, a rájuk eső fény hatására az elektronok természetes módon ugrálnak egyik radikális helyről a másikra. Ez pozitív és negatív töltések keletkezését eredményezi, amelyek elektromos tér hatására önállóan mozoghatnak.
Ez a jelenség egyfajta homojunction-ként írható le – vagyis egyetlen organikus vegyületen belül zajlik le a töltésszétválasztás folyamata.
Miben rejlik a „varázslat”?
Biwen Li, a Cavendish Laboratórium kutatója így fogalmazott: „A legtöbb organikus anyagban az elektronok párosítva vannak, így nem lépnek kölcsönhatásba szomszédaikkal. Rendszerünkben azonban, amikor a molekulák összezsúfolódnak, a párosítatlan elektronok kölcsönhatása arra ösztönzi őket, hogy váltakozó irányban rendeződjenek el – ez a Mott-Hubbard viselkedés jellemzője. Fényelnyeléskor az egyik elektron átugrik legközelebbi szomszédjához, létrehozva pozitív és negatív töltéseket, amelyek kinyerhetők fotóáramként.”
Hagyományos organikus félvezetők vs. radikális félvezetők
A legtöbb organikus félvezető kétféle molekulából áll: egy donorból és egy akceptorból. Ezek között alakul ki az a határfelület (heterojunction), ahol a fotoizgatott elektronok és lyukak szétválnak. Ezzel szemben a radikális félvezetők olyan molekulákat tartalmaznak, melyek egyetlen párosítatlan elektronnal rendelkeznek, amelyet singly occupied molecular orbital-nak (SOMO) neveznek.
Ezeket a radikálisokat eddig főként fénykibocsátó képességük és stabilitásuk miatt értékelték, például organikus LED-ekben. Azonban töltésteremtő képességük eddig kevéssé volt feltérképezve.
Kísérleti eredmények és spektroszkópiai megfigyelések
A kutatók kimutatták, hogy amikor a P3TTM molekulák szorosan egymás mellé rendeződnek, spontán töltéspárok keletkeznek fényelnyelés után. Időfelbontásos spektroszkópia segítségével két különböző hullámhosszú fénykibocsátást figyeltek meg:
- Gyorsan kialakuló fény 645 nanométeren
- Késleltetett vöröseltolódott sugárzás körülbelül 800 nanométeren
Ez az utóbbi halvány utófény bizonyította a P3TTM anionok és kationok – vagyis a szétvált töltések – rekombinációját.
Dióda struktúrákban mért kiemelkedő teljesítmény
A P3TTM-ből készült vékonyréteg-eszközökben (diódákban), ahol az anyagot elektródák közé helyezték, fordított irányú feszültség alatt közel 100%-os töltésgyűjtési hatékonyságot mértek. Ez azt jelenti, hogy majdnem minden elnyelt foton hasznosítható töltést eredményezett.
A hagyományos heterojunction helyett természetes töltésszétválasztás
A töltésszétválasztás általában két különböző anyag határán történik meg – például szilícium napelemekben –, ahol az excitonok (gyengén kötött elektron-lyuk párok) szétválnak. A P3TTM esetében azonban ez a folyamat magán az anyagon belül történik meg spontán módon.
A mechanizmus részletei
A kutatók felfedezték, hogy az „extra energia”, amely szükséges ahhoz, hogy egy második elektron kerüljön be a radikális SOMO pályájára, alacsonyabb mint az alap gerjesztett állapot energiája. Ez lehetővé teszi, hogy a fotoizgatott elektron átugorjon egy közeli molekulára, miközben maga mögött pozitív töltést hagy – így jön létre egy önálló anion-kation pár.
Kiemelkedő fotóáram teljesítmény rubrénhez képest
Dióda tesztek során ez a radikális alapú folyamat 45 milliamper/cm²-es fotóáramot produkált – ez messze meghaladja a hagyományos rubrén alapú organikus félvezetők teljesítményét. Az eredmények megerősítik, hogy ez az effektus magának az anyagnak tulajdonsága, nem külső interfész vagy dopáns függvénye.
Jövőbeli alkalmazások és jelentőségük
Ez a felfedezés jelentős hatással lehet megújuló energiaforrásokra és következő generációs elektronikára:
- Önfenntartó érzékelők: könnyű és rugalmas eszközök napenergiával való ellátása külső áramforrás nélkül.
- Viselhető orvosi készülékek: amelyek saját magukat táplálják napfényből.
- Napelemmel tölthető OLED kijelzők: melyekhez nincs szükség külső vezetékekre.
- Költséghatékonyság: könnyű előállításuk miatt hidat képezhetnek a hagyományos szilícium alapú napelemek és az új organikus optoelektronikai rendszerek között.
- Kvantuminformációs technológiák: mivel az organikus radikálisokat már vizsgálják spintronika és kiralitás-alapú optoelektronika területén is.
Tudományos paradigmaváltás
A tanulmány megkérdőjelezi azt az eddig elfogadott nézetet is, miszerint az organikus molekuláknak párban kell működniük ahhoz, hogy töltést vezessenek vagy szétválasszanak. A Cambridge-i kutatók bebizonyították, hogy egyetlen radikális anyag is képes mindkét funkció ellátására – ezzel új fejezetet nyitva az önellátó elektronikai rendszerek fejlesztésében.
A jövő perspektívái: fényt kibocsátó és energiát termelő eszközök egyben
Eredményeik alapján hamarosan eltűnhet majd az éles határ azok között az anyagok között, amelyek fényt bocsátanak ki és amelyek energiát termelnek. Elméletileg elképzelhető olyan eszköz létrehozása is, amely egyszerre világít és önmagát táplálja – mindezt ugyanabból az anyagból.
„Nem csupán régi tervezéseket fejlesztünk tovább,” mondta Dr. Hugo Bronstein professzor, „hanem új fejezetet írunk a tankönyvekbe: bebizonyítjuk, hogy az organikus anyagok önmagukban képesek töltéseket generálni.”
Forrás: https://thedebrief.org/scientists-solve-quantum-mystery-that-could-generate-electricity-from-light/