量子飛躍:開創性激子成像 改變半導體科學

編譯/高晟鈞

新的成像技術揭示了有機半導體的激子動力學,提供了對其量子特性和改進材料能量轉換潛力的見解。

有機材料

從屋頂上的太陽能電池板到最新型的OLED螢幕,其性能很大程度上取決於光與半導體材料之間的相互作用。有一類的半導體材料主要由有機分子所構成,例如:巴克明斯特富勒烯(Buckminsterfullerene, 主要由碳構成)。

結果顯示,激子會在光激發後立刻分布於兩個或多個分子上;然而,在幾飛秒內便會收縮回單一分子中上。圖/截取自ScitechDaily

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我們都知道有機半導體有著對光的高吸收率,通常不到0.1μm的厚度就可以完全吸收能帶間隙的光,而這也人們對於有機材料寄予厚望的原因之一。

其背後的原理主要是,有機半導體在與光激發電子,會在材料中形成「激子」。而半導體的性能便與激子形成後最初幾分鐘內的行為有關

激子動力學

當光照射到材料時,電子會吸收光能躍升至激發態。這種受激發的電子與電洞間的相互作用非常強,因此兩者不能被描述為單獨的粒子。相反地,帶負電的受激電子與帶正電的電洞相互結合所形成的電子-電洞對,便被稱為「激子」。

不論從理論或實驗的角度看,理解半導體中激子的量子性質一直被認為是重大的挑戰。

對此,該研究的第一作者Wiebke Bennecke使用了一種被稱為「光發射激子斷層掃描」,可以以極高的解析度測量激子在時間(10-9秒,皮秒)與空間(10-9公尺,奈米)上的變化,並與量子力學理論的預測進行比較。

可視化激子

這是科學家首次得以測量並可視化激子的量子力學波函數。波函數描述了激子的狀態與其存在的機率。

簡單來說,科學家能測量激子是否總是位於單一分子上,或者可以同時分布在多個分子上(量子特性),而對於太陽能電池中半導體的效率將產生重大影響。結果顯示,激子會在光激發後立刻分布於兩個或多個分子上;然而,在幾飛秒內便會收縮回單一分子中上。

未來,研究團隊將持續使用新方法記錄激子的行為。透過了解分子間的相互運動與激子動力學的關聯,將幫助科學家進一步了解有機半導體內的能量轉換過程,開發更有效率的太陽能電池材料。

資料來源: ScitechDaily

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