Zien is geloven: directe beeldvorming van record-exciton-diffusielengte

Opto-elektronica – technologie die licht afgeeft, detecteert of regelt – wordt overal in moderne elektronica gebruikt en omvat apparaten zoals light-emitting diodes (LED’s) en zonnecellen. Binnen deze apparaten bepaalt de beweging van excitonen (paren negatieve elektronen en positieve gaten) hoe goed het apparaat presteert.

Tot nu toe was de afstand die excitonen konden afleggen in conventionele opto-elektronische systemen ongeveer 30-70 nanometer, en er was geen manier om direct in beeld te krijgen hoe de excitonen bewegen. In een recent gepubliceerd onderzoek in ACS Nano, heeft een team van Foundry-onderzoekers een nanokristalsysteem ontworpen en gemaakt waarin excitonen een recordafstand van 200 nanometer kunnen verplaatsen, een orde van grootte groter dan voorheen mogelijk was. Ze bouwden ook een aangepaste microscoop die de beweging van excitonen direct kan afbeelden.

“De wetenschappelijke prestatie is dat we een kunstmatig systeem hebben gevonden waarin een exciton over zeer lange afstanden van kristal naar kristal springt, tien keer verder dan eerder werd bereikt”, zegt Alex Weber-Bargioni, faciliteitsdirecteur van de Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry en hoofdonderzoeker van de studie. “Dan is er de technische prestatie – we zijn in staat om de beweging van de excitonen direct in beeld te brengen om hun gedrag beter te begrijpen.”

Hun systeem bestaat uit minuscule kristallen van perovskieten, een klasse van kristallen die opduiken als veelbelovende materialen voor opto-elektronische apparaten.

“Perovskiet-nanokristallen vormen een kubusvorm, waardoor ze gemakkelijk samen te pakken zijn”, legt Monica Lorenzon, een postdoctoraal onderzoeker bij de Foundry en een auteur van dit werk, uit. “Maar dat doen ze van nature niet over lange afstanden.” Lorenzon beschreef hoe haar collega Erika Penzo, eerste auteur van het artikel, een siliciumoppervlak bedekte met een polymeer dat chemische groepen bevat waaraan de perovskiet-nanokristallen zouden hechten, waardoor een enkele laag perovskiet-nanokristallen stevig op elkaar gepakt werd. Dit oppervlakte-engineeringproces resulteerde in een nanokristalsysteem waarin excitonen zich over zeer lange afstanden van kristal naar kristal konden verplaatsen.

Dit systeem bood de onderzoekers een nuttige casestudy om te kijken hoe excitonen zich verder verplaatsen of diffunderen. “In opto-elektronica, of je nu licht omzet in elektriciteit of omgekeerd, je wilt de diffusie van excitonen kunnen afstemmen en regelen omdat ze de bemiddelaar zijn van het licht en de elektronica.” zei Weber-Bargioni. “Dus het is erg handig om te begrijpen hoe ver en hoe snel excitonen bewegen.”

In het verleden werd excitonbeweging gemeten door defecten, onvolkomenheden in een kristal toe te voegen die excitonen opsluiten. Onderzoekers konden de beweging van excitonen indirect volgen door monsters met verschillende hoeveelheden defecten te vergelijken. “Maar ons systeem is veel directer”, legt Lorenzon uit. “We kunnen de excitonbeweging daadwerkelijk visualiseren door deze direct in beeld te brengen met een op maat gemaakte microscoop. Deze methode resulteert ook in nauwkeurigere metingen, vergeleken met het bereik van diffusielengtes die op indirecte manier kunnen worden gemeten.”

Het basisprincipe van de microscoop is dat een laser wordt gebruikt om het materiaal te exciteren (energie over te dragen) waardoor een geëxciteerde plek ontstaat. Als deze energie vrijkomt, zal de fotoluminescentie (licht afgegeven door het materiaal) op dezelfde locatie een bredere plek zijn, zoals een druppel water op een papieren handdoek die na verloop van tijd naar buiten uitzet. Door de aangeslagen plek te vergelijken met de fotoluminescentievlek, kan de gemiddelde afstand die excitonen bewegen worden gemeten, wat resulteert in de record diffusielengte van 200 nanometer. “We raken het monster met een laserstraal en als we het laserlicht uitfilteren en naar het fotoluminescentielicht kijken, krijgen we een veel bredere plek – dat zijn de excitonen die over het monster diffunderen”, legt Lorenzon uit.

Door tijdresolutie toe te voegen, kan de microscoop ook kijken naar de dynamiek van de excitonen, en het bleek dat ze eerst snel diffunderen en vervolgens vertragen. Dit verbeterde begrip van hoe excitonen bewegen, kan de prestaties van opto-elektronische apparaten helpen verbeteren, waarbij het nuttig is om de exciton-diffusielengtes af te stemmen voor verschillende toepassingen, zoals lange diffusielengtes in zonnecellen en korte diffusielengtes in LED’s.

In een vervolg op deze studie onderzochten de onderzoekers verschillende methoden (plasma versus thermisch) om een ​​dunne, beschermende laag aan de perovskiet-nanokristallen toe te voegen. Omdat deze beschermende laag de nanokristallen langer laat leven, kunnen de excitonen grotere afstanden afleggen, wat resulteerde in een nog langere exciton-diffusielengte van 480 nanometer.

De aangepaste microscoop werd ook verbeterd met energieresolutie. Hieruit bleek dat de energie hetzelfde blijft als excitonen door het monster bewegen dat is gecoat via het plasmaproces, terwijl de energie afneemt omdat excitonen vast komen te zitten in defecten en grote kristallen gevormd door gesmolten nanokristallen in het monster dat is gecoat via het thermische proces. Dit werk is onlangs geaccepteerd in Advanced Optical Materials.

In de toekomst zijn de onderzoekers geïnteresseerd in het kijken naar verschillende klassen materialen en verschillende soorten exciton-diffusie met behulp van hun microscoop. Ze willen ook onderzoeken of de beweging van excitonen coherent kan zijn, of synchroon met elkaar kan bewegen.