想象一下，使用簡(jiǎn)單的噴墨打印機(jī)打印電子設(shè)備 - 甚至將太陽(yáng)能電池板涂在建筑物的墻壁上。

這種技術(shù)將大大降低制造電子設(shè)備的成本，并使新方法能夠?qū)⑺鼈內(nèi)谌胛覀兊娜粘Ｉ钪?。在過(guò)去的二十年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種被稱為有機(jī)半導(dǎo)體的材料，其由分子或聚合物制成，用于此目的。但是這些材料的某些特性構(gòu)成了限制其廣泛使用的主要障礙。

堪薩斯大學(xué)物理與天文學(xué)副教授Wai-Lun Chan說(shuō)：“在這些材料中，電子通常與其對(duì)應(yīng)物結(jié)合，一個(gè)被稱為”空穴“的缺失電子，并且不能自由移動(dòng)。“所謂的'自由電子'，在材料中自由漂移并導(dǎo)電，很少見(jiàn)，不能通過(guò)光吸收容易地產(chǎn)生。這阻??礙了這些有機(jī)材料在太陽(yáng)能電池板等應(yīng)用中的使用，因?yàn)橛眠@些材料構(gòu)建的面板材料通常表現(xiàn)不佳。“

由于這個(gè)問(wèn)題，陳說(shuō)“釋放電子”一直是開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池，光傳感器和許多其他光電應(yīng)用的有機(jī)半導(dǎo)體的重點(diǎn)。

現(xiàn)在，由Chan和物理與天文學(xué)教授趙趙領(lǐng)導(dǎo)的KU的兩個(gè)物理研究小組，結(jié)合單一的二硫化鉬原子層(MoS 2)，有效地產(chǎn)生了有機(jī)半導(dǎo)體的自由電子，最近發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)尺寸(2-D)半導(dǎo)體。

引入的2-D層允許電子從“空穴”中逸出并自由移動(dòng)。該研究結(jié)果剛剛發(fā)表在“美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志”上，該雜志是化學(xué)和接口科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)先期刊。

在過(guò)去幾年中，許多研究人員一直在研究如何通過(guò)混合有機(jī)2-D接口有效地產(chǎn)生免費(fèi)電荷。

“一種流行的假設(shè)是，只要電子可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)從一種材料轉(zhuǎn)移到另一種材料，就可以從界面產(chǎn)生自由電子 - 不到一萬(wàn)億分之一秒，”Chan說(shuō)。“然而，我的研究生Tika Kafle和Bhupal Kattel和我發(fā)現(xiàn)超快電子轉(zhuǎn)移的存在本身并不足以保證光吸收產(chǎn)生自由電子。這是因?yàn)?#39;空洞'可以防止電子從離開(kāi)界面。電子是否能夠脫離這種結(jié)合力取決于界面附近的局部能量景觀。“

Chan說(shuō)，電子的能量景觀可以看作是山的地形圖。

“一名徒步旅行者根據(jù)高度等高線圖選擇他的路徑，”他說(shuō)。“類似地，兩種材料之間界面處的電子運(yùn)動(dòng)受到界面附近的電子能量景觀的控制。”

Chan和Zhao的研究結(jié)果將有助于制定如何設(shè)計(jì)“景觀”以釋放這種混合材料中的電子的一般原則。

這一發(fā)現(xiàn)是通過(guò)結(jié)合兩個(gè)基于超快激光的高度互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)工具，Chan實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間分辨光電子能譜和趙氏實(shí)驗(yàn)室的瞬態(tài)光學(xué)吸收實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置都位于綜合科學(xué)大樓的地下室。

在時(shí)間分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)中，Kafle使用超短激光脈沖，僅存在10千萬(wàn)億分之一秒(10-14)秒來(lái)觸發(fā)電子運(yùn)動(dòng)。使用這種短脈沖的優(yōu)點(diǎn)是研究人員準(zhǔn)確地知道電子旅程的開(kāi)始時(shí)間。然后Kafle使用了另一種超短激光脈沖在相對(duì)于第一脈沖的精確控制時(shí)間再次擊打樣品。該第二脈沖足夠能量從樣品中釋放出這些電子。通過(guò)測(cè)量這些電子的能量(現(xiàn)在在真空中)并利用能量守恒原理，研究人員能夠在電子被踢出之前計(jì)算出電子的能量，從而揭示這些電子被擊中后的旅程。第一個(gè)脈沖。該技術(shù)解決了受激電子在光吸收后穿過(guò)界面時(shí)的能量。因?yàn)橹挥袠悠非氨砻娓浇碾娮涌梢酝ㄟ^(guò)第二脈沖釋放，所以電子相對(duì)于界面的位置也以原子精度顯示。

在瞬態(tài)光學(xué)吸收測(cè)量中，由Zhao監(jiān)督的Peng Yao(訪問(wèn)學(xué)生)和KU畢業(yè)生Peymon Zereshki也使用雙脈沖技術(shù)，第一脈沖以相同的方式啟動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)。然而，在它們的測(cè)量中，第二脈沖通過(guò)檢測(cè)從樣品反射的第二脈沖的分?jǐn)?shù)而不是踢出電子來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)電子的技巧。

“因?yàn)楣饪梢源┩父L(zhǎng)的距離，測(cè)量可以探測(cè)樣品整個(gè)深度的電子，從而為第一種更”表面敏感“的技術(shù)提供補(bǔ)充信息，”趙說(shuō)。“這些詳細(xì)的測(cè)量使我們能夠重建電子的軌跡并確定能夠有效產(chǎn)生自由電子的條件。”