激光网3月20日消息，从屋顶上的太阳能电池板到新的OLED电视屏幕，如果没有光和构成半导体的材料之间的相互作用，许多日常电子设备根本无法工作。一类新的半导体基于有机分子，主要由碳组成，如巴克敏斯特富勒烯。
有机半导体的工作方式很大程度上取决于它们在光激发电子后最初几分钟的行为，从而在材料中形成“激子”。
来自哥廷根大学、格拉茨大学、凯泽斯劳滕-朗道大学和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员现在首次对这些激子进行了非常快速和非常精确的图像——事实上，精确到十亿分之一秒和十亿分之一米。这种理解对于开发更高效的有机半导体材料至关重要。研究结果发表在《自然通讯》上。
当光照射到材料上时，一些电子会吸收能量，这使它们进入激发态。在有机半导体中，例如OLED中使用的有机半导体中，这种激发电子与剩余的“空穴”之间的相互作用非常强烈，电子和空穴不能再被描述为单个粒子。相反，带负电的电子和带正电的空穴结合形成对，称为激子。
长期以来，从理论和实验的角度来看，了解有机半导体中这些激子的量子力学性质一直被认为是一项重大挑战。
新方法揭示了这个难题。该研究的第一作者、哥廷根大学的物理学家Wiebke Bennecke解释说：“使用我们的光发射电子显微镜，我们可以认识到激子内的吸引力会显着改变它们的能量和速度分布。我们以极高的分辨率测量时间和空间上的变化，并将其与量子力学的理论预测进行比较。
研究人员将这种新技术称为光发射激子断层扫描。其背后的理论是由格拉茨大学的Peter Puschnig教授领导的团队开发的。
这项新技术使科学家首次能够测量和可视化激子的量子力学波函数。简单地说，波函数描述了激子的状态并确定其存在的概率。
哥廷根大学的Matthijs Jansen博士解释了这一发现的重要性，“我们研究的有机半导体是巴克敏斯特富勒烯，它由60个碳原子的球形排列组成。问题是激子是否总是位于单个分子上，或者它是否可以同时分布在多个分子上。这种特性可以对太阳能电池中半导体的效率产生重大影响。
光发射激子断层扫描提供了答案：在光产生激子后，它立即分布在两个或多个分子上。然而，在几飞秒内，这意味着在极小的几分之一秒内，激子会缩小到单个分子。
将来，研究人员希望使用新方法记录激子的行为。根据哥廷根大学的Stefan Mathias教授的说法，这具有潜力，“例如，我们想看看分子的相对运动如何影响材料中激子的动力学。这些研究将有助于我们了解有机半导体中的能量转换过程。我们希望这些知识将有助于开发更高效的太阳能电池材料。
