從我們屋頂上的太陽能電池板到新型OLED 電視螢幕，如果沒有光與構成半導體的材料之間的相互作用，許多日常電子設備根本無法運作。一類新的半導體是基於有機分子的，這種分子主要由碳組成，如”巴克明斯特富勒烯”（buckminsterfullerene）。有機半導體的工作方式在很大程度上取決於它們在光激發電子、在材料中形成”激子”後最初片刻的行為。

圖示：光激發有機半導體”巴克明斯特富勒烯”兩個分子中的電子。新形成的激子（如亮點所示）首先分佈在兩個分子上，然後才落在一個分子上（如圖中右側所示）。來源：Andreas Windischbacher

新的成像技術揭示了有機半導體中的激子動力學，有助於深入了解其量子特性和改進能量轉換材料的潛力。

Wiebke Bennecke。圖片來源：Fotostudio Roman Brodel/Braunschweig

哥廷根大學、格拉茨大學、凱澤斯勞滕-朗道大學和格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的研究人員現在首次非常快速、非常精確地拍攝了這些激子的圖像–事實上，精確度達到了四十億分之一秒（0.000,000,000,000,001s）和十億分之一公尺（0.000,000,001m）。這種認知對於開發更有效率的有機半導體材料至關重要。

相關成果最近發表在科學期刊《自然通訊》。

了解激子動力學

當光線照射到材料上時，有些電子會吸收能量，進入激發態。在有機半導體（如有機發光二極體中使用的半導體）中，這些受激電子和剩餘”電洞”之間的相互作用非常強烈，電子和電洞不再能被描述為單獨的粒子。相反，帶負電荷的電子和帶正電荷的電洞結合成對，稱為激子。

長期以來，從理論和實驗角度理解有機半導體中這些激子的量子力學特性一直被認為是一項重大挑戰。

Matthijs Jansen 博士。圖片來源：Christina Möller

新方法揭示了這個難題。研究的第一作者、哥廷根大學物理學家Wiebke Bennecke 解釋說：”利用我們的光發射電子顯微鏡，我們可以發現激子內部的吸引力極大地改變了它們的能量和速度分佈。我們以極高的時間和空間分辨率測量了這些變化，並將它們與量子力學的理論預測進行了比較”。

研究人員將這種新技術稱為光發射激子斷層掃描技術。背後的理論是由格拉茨大學的Peter Puschnig 教授領導的團隊所發展出來的。

半導體研究進展

這項新技術使科學家首次能夠測量和觀察激子的量子力學波函數。簡單地說，波函數描述了激子的狀態，並決定了其存在的機率。

哥廷根大學的Matthijs Jansen 博士解釋了這一發現的意義：”我們研究的有機半導體是由60 個碳原子組成的球形排列的富勒烯。問題是激子是否總是位於單個分子上，還是可以同時分佈在多個分子上。這項特性會對太陽能電池中半導體的效率產生重大影響。”

斯特凡-馬蒂亞斯教授。圖片來源：Stefan Mathias

光發射激子層析技術提供了答案：激子在光的作用下產生後，立即分佈在兩個或更多的分子上。然而，在幾個飛秒內，也就是在一秒鐘的極小部分內，激子就會縮回單一分子。

未來，研究人員希望利用這種新方法來記錄激子的行為。哥廷根大學的斯特凡-馬蒂亞斯（Stefan Mathias）教授認為，這很有潛力：”例如，我們希望了解分子的相對運動如何影響材料中激子的動力學。這些研究將有助於於我們了解有機半導體的能量轉換過程。我們希望這些知識將有助於開發更有效率的太陽能電池材料”。

編譯自: ScitechDaily