La forma en que funcionan los semiconductores orgánicos está determinada en gran medida por su comportamiento en los primeros momentos después de que la luz excita los electrones, formando "excitones" en el material.

Investigadores de las universidades de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau y Grenoble-Alpes han conseguido, por primera vez, imágenes muy rápidas y muy precisas de estos excitones (de hecho, con una precisión de una cuatrillonésima de segundo y una milmillonésima de segundo). metro. Esta comprensión es esencial para desarrollar materiales más eficientes con semiconductores orgánicos. Los resultados fueron publicados en Nature Communications.

Cuando la luz incide sobre un material, algunos electrones absorben la energía y esto los pone en un estado excitado. En los semiconductores orgánicos, como los utilizados en los OLED, la interacción entre dichos electrones excitados y los "agujeros" sobrantes es muy fuerte, y los electrones y los agujeros ya no pueden describirse como partículas individuales. En cambio, los electrones cargados negativamente y los huecos cargados positivamente se combinan para formar pares, conocidos como excitones.

Comprender las propiedades de la mecánica cuántica de estos excitones en semiconductores orgánicos se ha considerado durante mucho tiempo un desafío importante, tanto desde el punto de vista teórico como experimental.

El nuevo método arroja luz sobre este enigma. Wiebke Bennecke, físico de la Universidad de Göttingen y primer autor del estudio, explica:"Con nuestro microscopio electrónico de fotoemisión podemos reconocer que las fuerzas de atracción dentro de los excitones cambian significativamente su distribución de energía y velocidad. Medimos los cambios con extrema precisión alta resolución tanto en el tiempo como en el espacio y compararlas con las predicciones teóricas de la mecánica cuántica."

Los investigadores se refieren a esta nueva técnica como tomografía de excitones por fotoemisión. La teoría detrás de esto fue desarrollada por un equipo dirigido por el profesor Peter Puschnig de la Universidad de Graz.

Esta nueva técnica permite a los científicos, por primera vez, medir y visualizar la función de onda de la mecánica cuántica de los excitones. En pocas palabras, la función de onda describe el estado de un excitón y determina su probabilidad de estar presente.

El Dr. Matthijs Jansen, de la Universidad de Göttingen, explica la importancia de los hallazgos:"El semiconductor orgánico que estudiamos fue el buckminsterfullereno, que consta de una disposición esférica de 60 átomos de carbono. La pregunta era si siempre se encontraría un excitón en una sola molécula o si podría distribuirse en varias moléculas simultáneamente. Esta propiedad puede tener una influencia importante en la eficiencia de los semiconductores en las células solares."

La tomografía de fotoemisión de excitones proporciona la respuesta:inmediatamente después de que la luz genera el excitón, se distribuye en dos o más moléculas. Sin embargo, en unos pocos femtosegundos, es decir, en una pequeña fracción de segundo, el excitón se reduce a una sola molécula.

En el futuro, los investigadores quieren registrar el comportamiento de los excitones utilizando el nuevo método. Según el profesor Stefan Mathias, de la Universidad de Göttingen, esto tiene potencial:"Queremos ver, por ejemplo, cómo el movimiento relativo de las moléculas influye en la dinámica de los excitones en un material. Estas investigaciones nos ayudarán a comprender los procesos de conversión de energía en los semiconductores orgánicos. Esperamos que este conocimiento contribuya al desarrollo de materiales más eficientes para las células solares."