Éclairer la voie : explorer les énergies de liaison des excitons dans les semi-conducteurs organiques


Les semi-conducteurs organiques constituent une classe de matériaux qui trouvent des applications dans divers appareils électroniques en raison de leurs propriétés uniques. Un attribut qui influence la propriété optoélectronique de ces semi-conducteurs organiques est leur « énergie de liaison aux excitons », qui est l’énergie nécessaire pour diviser un exciton en ses constituants négatifs et positifs. Étant donné que des énergies de liaison élevées peuvent avoir un impact significatif sur le fonctionnement des dispositifs optoélectroniques, de faibles énergies de liaison sont souhaitables. Cela peut aider à réduire les pertes d’énergie dans des appareils tels que les cellules solaires organiques. Bien que plusieurs méthodes de conception de matériaux organiques à faibles énergies de liaison aient été étudiées, la mesure précise de ces énergies reste un défi, principalement en raison du manque de techniques de mesure d'énergie adaptées.

Faisant progresser la recherche dans ce domaine, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Hiroyuki Yoshida de la Graduate School of Engineering de l'Université de Chiba, au Japon, a mis en lumière les énergies de liaison des excitons des semi-conducteurs organiques. Leur étude a été récemment publiée en ligne dans Le Journal des Lettres de Chimie Physiquele 11 décembre 2023. Mme Ai Sugie de la Graduate School of Engineering de l'Université de Chiba, le Dr Kyohei Nakano et le Dr Keisuke Tajima du Centre pour la science des matières émergentes du RIKEN, et le professeur Itaru Osaka du Département de chimie appliquée de L'Université d'Hiroshima a collaboré avec le professeur Yoshida pour entreprendre cette étude. En nous parlant de leur étude, le professeur Yoshida déclare : « Dans cette étude, une nature jusqu'alors imprévue des énergies de liaison des excitons dans les semi-conducteurs organiques a été révélée. Compte tenu de la nature fondamentale de notre recherche, nous nous attendons à des effets à long terme et persistants, tous deux visibles. et invisible, sur des applications réelles. »

L’équipe a d’abord mesuré expérimentalement les énergies de liaison des excitons de 42 semi-conducteurs organiques, dont 32 matériaux de cellules solaires, sept matériaux de diodes électroluminescentes organiques et trois composés cristallins de pentacène. Pour calculer les énergies de liaison des excitons, les chercheurs ont calculé la différence d'énergie entre l'exciton lié et son état de « porteur libre ». Alors que le premier est donné par le « fossé optique », lié à l'absorption et à l'émission de lumière, le second est donné par le « fossé de transport », qui désigne l'énergie nécessaire pour déplacer un électron du niveau d'énergie lié le plus élevé au niveau d'énergie libre le plus bas. niveau.

La détermination expérimentale de l'espace optique impliquait des expériences de photoluminescence et de photoabsorption. Pendant ce temps, l’écart de transport a été calculé par spectroscopie photoélectronique ultraviolette et spectroscopie photoélectronique inverse à basse énergie, une technique mise au point par le groupe de recherche. L'utilisation de ce cadre a permis à l'équipe de recherche de déterminer les énergies de liaison des excitons avec une haute précision de 0,1 électron-volt (eV). Les chercheurs pensent que ce niveau de précision peut aider à discuter de la nature des excitons des semi-conducteurs organiques avec une confiance beaucoup plus grande que celle des études précédentes.

De plus, les chercheurs ont observé un aspect inattendu de la nature des énergies de liaison des excitons. Ils ont découvert que l’énergie de liaison des excitons représente un quart de la bande interdite de transport, quels que soient les matériaux impliqués.

Les résultats de cette étude devraient façonner les principes fondamentaux relatifs à l’optoélectronique organique et avoir également des applications potentielles dans la vie réelle. Par exemple, les principes de conception régissant les dispositifs optoélectroniques organiques devraient évoluer favorablement. De plus, étant donné le potentiel de ces résultats à influencer les concepts du domaine, les chercheurs pensent qu’ils seront également susceptibles d’être inclus dans les futurs manuels.

Partageant ses réflexions finales, le professeur Yoshida déclare : « Notre étude contribue à faire progresser la compréhension actuelle du mécanisme des excitons dans les semi-conducteurs organiques. De plus, ces concepts ne se limitent pas seulement aux semi-conducteurs organiques, mais peuvent également être appliqués à un large éventail de composants moléculaires. matériaux à base de matériaux biologiques, tels que les matériaux bio-sourcés.

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