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堪萨斯大学研究生Tika Kafle(正视相机)致力于时间分辨光发射光谱设置。CreditCody Howard/堪萨斯大学
堪萨斯大学研究生Tika Kafle(正视相机)致力于时间分辨光发射光谱设置。CreditCody Howard/堪萨斯大学

摘要:
想象一下,用一台简单的喷墨打印机打印电子设备,甚至在建筑物的墙上画一块太阳能板。

突破性的材料可能导致更便宜,更广泛的太阳能电池板和电子产品

劳伦斯,Ks 7月16日发布,2019年

这项技术将大大降低制造电子设备的成本,并使新的方法将它们融入我们的日常生活。在过去的二十年里,一种叫做有机半导体的材料,由分子或聚合物制成,是为这些目的而开发的。但这些材料的一些特性构成了限制其广泛使用的主要障碍。

“在这些材料中,电子通常与其对应物结合,一个被称为“空穴”的缺失电子,不能自由移动。堪萨斯大学物理学和天文学副教授。“所谓的‘自由电子’,在材料中自由移动并导电,是稀有的,不能通过光吸收轻易产生。这阻碍了这些有机材料在太阳能电池板等应用中的使用,因为用这些材料制造的电池板通常性能较差。”

因为这个问题,陈说,“释放电子”一直是开发太阳能电池用有机半导体的一个重点。光传感器和许多其他光电应用。

现在,库的两个物理研究小组,在陈慧照的带领下,物理学和天文学教授,当与二硫化钼(MoS2)的单原子层结合时,有效地从有机半导体中产生自由电子,一种新发现的二维半导体。

引入的二维层允许电子从“空穴”中逃逸并自由移动。这一发现刚刚发表在《美国化学学会杂志》上。化学和科学接口领域的领先期刊。

在过去的几年里,许多研究人员一直在研究如何有效地从混合有机二维界面产生自由电荷。

陈冯富珍说:“一个普遍的假设是,只要电子能在相对较短的时间内从一种材料转移到另一种材料,就可以从界面产生自由电子,时间不到1万亿分之一秒。”“但是,我和我的研究生Tika Kafle和Bhupal Kattel发现,超快电子转移本身的存在不足以保证从光吸收中产生自由电子。这是因为“空穴”可以阻止电子离开界面。电子能否摆脱这种束缚力取决于界面附近的局部能量分布。”

陈说,电子的能量景观可以看作是一座山的地形图。

他说:“一个徒步旅行者根据高度等值线图选择自己的路线。”“同样,电子在两种材料之间的界面上的运动由界面附近的电子能量景观控制。”

陈和赵的发现将有助于发展如何设计“景观”以释放这种混合材料中的电子的一般原则。

这一发现是由两个基于超快激光的高度互补的实验工具组合而成的。陈氏实验室的时间分辨光发射光谱和赵氏实验室的瞬时光吸收。两个实验装置都位于综合科学大楼的地下室。

在时间分辨光发射光谱实验中,Kafle使用了一个超短的激光脉冲来触发电子的运动,这种脉冲只存在10万亿分之一秒(10-14)。使用如此短的脉冲的好处是研究人员精确地知道电子旅行的开始时间。然后,Kafle用另一个超短激光脉冲在相对于第一个脉冲精确控制的时间再次撞击样品。第二个脉冲的能量足以将这些电子从样品中激发出来。通过测量这些电子的能量(现在在真空中)并利用能量守恒原理,研究人员能够在电子被踢出之前计算出它们的能量,从而揭示了这些电子自被第一个脉冲击中以来的旅程。这项技术解决了光吸收后被激发电子穿过界面时的能量问题。因为第二个脉冲只能释放样品前表面附近的电子,电子相对于界面的位置也可以用原子精度来揭示。

在瞬态光吸收测量中,彭耀(访问学生)和顾研究生Peymon Zereshki,两人都在赵的监督下,也使用了双脉冲技术,第一个脉冲以同样的方式启动电子运动。然而,在他们的测量中,第二个脉冲通过检测从样品反射的第二个脉冲的分数来监控电子,而不是把电子踢出去。

“因为光可以穿透更长的距离,赵说:“测量可以在样品的整个深度探测电子,因此可以为第一种更“表面敏感”的技术提供补充信息。”“这些详细的测量使我们能够重建电子的轨迹,并确定能够有效产生自由电子的条件。”

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这两个研究团队的合作工作将为如何设计接口提供一个蓝图,该接口可以高效地将光转化为电流。两个团队都是由国家科学基金会通过职业奖(Chan)和凝聚物物理学奖(赵)资助的。

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联络:
布伦丹M林奇

785-864-8855号

版权所有©堪萨斯大学

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