W dziedzinie półprzewodników mamy do czynienia z rewolucją, zmieniającą sposób wykorzystywania technologii w różnych urządzeniach optoelektronicznych. Są to kluczowe komponenty do wyświetlaczy LED (stosowanych w telewizorach, komputerach czy telefonach komórkowych) i ogniw słonecznych. Przeprowadzone niedawno badanie pozwoliło naukowcom na poszerzenie wiedzy na temat nowej klasy hybrydowych półprzewodników organiczno-nieorganicznych, które mogłyby zrewolucjonizować technologie oświetlenia i pozyskiwania energii.
Dzięki częściowemu wsparciu ze środków finansowanego przez UE projektu QUANTUM LOOP naukowcy zbadali klasę półprzewodników zwaną organiczno-nieorganicznymi perowskitami halogenkowymi (HOIP). Wyniki tych prac ukazały się w czasopiśmie
„Nature Materials”. Jak czytamy w
komunikacie prasowym Georgia Institute of Technology HOIP są energooszczędne oraz „łatwe w produkcji i nanoszeniu”.
W tym samym komunikacie prof. Carlos Silva ze School of Chemistry and Biochemistry na uczelni Georgia Tech opisuje zalety HOIP, mówiąc, że „są one wytwarzane w niskich temperaturach i przetwarzane w roztworze”. Dodaje także: „Ich wytwarzanie wymaga dużo mniejszych ilości energii, i możliwe jest produkowanie dużych partii”. W dalszej części komunikatu czytamy: „Większość półprzewodników wytwarzana jest w małych ilościach przy użyciu wysokich temperatur, a do tego są one sztywne, co utrudnia nanoszenie ich na powierzchnie. Natomiast HOIP można by namalowywać na diody LED, lasery, a nawet szyby okienne, które mogą świecić w dowolnym kolorze, od akwamaryny po fuksję. Oświetlenie wykorzystujące HOIP będzie bardzo energooszczędne, a producenci paneli słonecznych mogliby zwiększyć wydajność ogniw fotowoltaicznych i obniżyć koszty produkcji”. W cytowanym komunikacie HOIP są opisywane jako „system warstwowy złożony z dwóch nieorganicznych warstw sieci krystalicznej, między którymi znajduje się trochę materiału organicznego”.
Procesy emisji światła
Półprzewodniki w urządzeniach optoelektronicznych przekształcają energię elektryczną w światło, a światło w energię. Naukowcy skupili się na procesach związanych z wytwarzaniem światła. „Sposobem na zmuszenie materiału do emitowania światła jest, mówiąc w uproszczeniu, przyłożenie energii do elektronów w materiale, tak aby mogły one wykonać przeskok kwantowy na wyższe orbity wokół atomów, a następnie wyemitować tę energię jako światło, kiedy wskakują z powrotem na orbity, które wcześniej opuściły”.
Autorzy publikacji tłumaczą: „Stosowane dotąd półprzewodniki potrafią uwięzić elektrony w obszarach materiału, które ściśle ograniczają zakres ruchu elektronów, a następnie przyłożyć energię do tych obszarów, aby elektrony mogły dokonać przeskoków kwantowych równocześnie oraz wyemitować światło, przeskakując równocześnie na niższą orbitę”. W przypadku nowych półprzewodników hybrydowych „właściwości ekscytonów są bardzo stabilne w temperaturze pokojowej”, w odróżnieniu od tradycyjnych półprzewodników, w przypadku których właściwości te „są stabilne tylko w ekstremalnie niskich temperaturach”, wyjaśnia prof. Silva.
Jak podano w komunikacie: „Elektron ma ładunek ujemny, a orbita, którą opuszcza po wzbudzeniu przez przyłożoną energię, jest ładunkiem dodatnim, zwanym dziurą elektronową. Elektron i dziura mogą krążyć wokół siebie, tworząc rodzaj wyimaginowanej cząstki – czyli kwazicząstki – zwanej ekscytonem”. Prof. Silva podkreśla, że energia wiązania, czyli dodatnio-ujemne przyciąganie w ekscytonie, jest „zjawiskiem bardzo wysokoenergetycznym, co czyni je idealnym do emitowania światła”. W komunikacie prasowym podsumowano również dynamikę, która prowadzi do powstawania innych kwazicząstek, biekscytonów i polaronów.
Projekt QUANTUM LOOP (Quantum Light Spectroscopy of Polariton Lasers) powstał w celu „wypracowania podstawowej wiedzy z dziedziny fotofizyki przy pomocy nowatorskich spektroskopii optycznych” jak podano na stronie
CORDIS. Projekt powinien „w dłuższej perspektywie przyczynić się do powstania nadających się do zastosowania w przemyśle laserów polarytonowych zawierających perowskity”.
Więcej informacji:
projekt QUANTUM LOOP
poleca:
Studentnews.pl