Imagínese imprimir dispositivos electrónicos con una simple impresora de inyección de tinta, o incluso pintar un panel solar en la pared de un edificio.

Dicha tecnología reduciría el costo de fabricación de dispositivos electrónicos y permitiría nuevas formas de integrarlos en nuestra vida cotidiana. Durante las últimas dos décadas, un tipo de material llamado semiconductores orgánicos, hecho de moléculas o polímeros, ha sido desarrollado para tales fines. Pero algunas propiedades de estos materiales plantean un obstáculo importante que limita su uso generalizado.

"En estos materiales, un electrón generalmente está unido a su contraparte, un electrón faltante conocido como 'agujero, 'y no puede moverse libremente, "dijo Wai-Lun Chan, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Kansas. "Los llamados 'electrones libres, 'que deambulan libremente por el material y conducen la electricidad, son raros y no se pueden generar fácilmente por absorción de luz. Esto impide el uso de estos materiales orgánicos en aplicaciones como paneles solares porque los paneles construidos con estos materiales a menudo tienen un rendimiento deficiente ".

Debido a este problema, Chan dijo que "liberar los electrones" ha sido un enfoque en el desarrollo de semiconductores orgánicos para células solares. sensores de luz y muchas otras aplicaciones optoelectrónicas.

Ahora, dos grupos de investigación en física en KU, dirigido por Chan y Hui Zhao, profesor de física y astronomía, han generado eficazmente electrones libres a partir de semiconductores orgánicos cuando se combinan con una sola capa atómica de disulfuro de molibdeno (MoS ₂ ), un semiconductor bidimensional (2-D) recientemente descubierto.

La capa 2-D introducida permite que los electrones escapen de los "agujeros" y se muevan libremente. Los hallazgos acaban de publicarse en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , una revista líder en química y áreas de ciencia interconectadas.

En los últimos años, Muchos investigadores han estado investigando cómo se pueden generar cargos gratuitos de manera efectiva a partir de interfaces híbridas orgánicas-2-D.

"Una de las suposiciones predominantes es que se pueden generar electrones libres a partir de la interfaz siempre que los electrones se puedan transferir de un material a otro en un período de tiempo relativamente corto, menos de una billonésima de segundo, "Chan dijo." Sin embargo, mis estudiantes de posgrado Tika Kafle y Bhupal Kattel y yo hemos descubierto que la presencia de la transferencia de electrones ultrarrápida en sí misma no es suficiente para garantizar la generación de electrones libres a partir de la absorción de luz. Eso es porque los 'agujeros' pueden evitar que los electrones se alejen de la interfaz. Si el electrón puede liberarse de esta fuerza vinculante depende del panorama energético local cerca de la interfaz ".

Chan dijo que el paisaje energético de los electrones podría verse como un mapa topográfico de una montaña.

"Un excursionista elige su camino según el mapa de curvas de nivel de altura, ", dijo." De manera similar, el movimiento del electrón en la interfaz entre los dos materiales está controlado por el paisaje de energía de los electrones cerca de la interfaz ".

Los hallazgos de Chan y Zhao ayudarán a desarrollar principios generales sobre cómo diseñar el "paisaje" para liberar los electrones en tales materiales híbridos.

El descubrimiento se realizó mediante la combinación de dos herramientas experimentales altamente complementarias basadas en láseres ultrarrápidos, espectroscopia de fotoemisión de resolución temporal en el laboratorio de Chan y absorción óptica transitoria en el laboratorio de Zhao. Ambas configuraciones experimentales están ubicadas en el sótano del Edificio de Ciencias Integradas.

En el experimento de espectroscopia de fotoemisión resuelta en el tiempo, Kafle utilizó un pulso láser ultracorto que solo existe durante 10 cuatrilloneses (10-14) de segundo para activar el movimiento de los electrones. La ventaja de utilizar un pulso tan corto es que el investigador conoce con precisión la hora de inicio del viaje del electrón. Luego, Kafle utilizó otro pulso láser ultracorto para volver a golpear la muestra en un tiempo controlado con precisión en relación con el primer pulso. Este segundo pulso es lo suficientemente enérgico como para expulsar estos electrones de la muestra. Midiendo la energía de estos electrones (ahora en el vacío) y usando el principio de conservación de energía, los investigadores pudieron averiguar la energía de los electrones antes de que fueran expulsados ​​y así revelar el viaje de estos electrones desde que fueron golpeados por el primer pulso. Esta técnica resolvió la energía de los electrones excitados a medida que se mueve a través de la interfaz después de la absorción de luz. Debido a que solo los electrones cerca de la superficie frontal de la muestra pueden ser liberados por el segundo pulso, la posición del electrón en relación con la interfaz también se revela con precisión atómica.

En las mediciones de absorción óptica transitoria, Peng Yao (estudiante visitante) y el graduado de KU Peymon Zereshki, ambos supervisados ​​por Zhao, también usó una técnica de dos pulsos, with the first pulse initiating the electron motion in the same way. Sin embargo, in their measurements, the second pulse does the trick of monitoring electrons by detecting the fraction of the second pulse that is reflected from the sample, instead of kicking out the electrons.

"Because light can penetrate a longer distance, the measurement can probe electrons in the entire depth of the sample and therefore provide complementary information to the first techniques that are more 'surface sensitive, '" Zhao said. "These detailed measurements enabled us to reconstruct the trajectory of the electron and determine conditions that enable the effective generation of free electrons."