La obtención de imágenes pioneras de excitones transforma la ciencia de los semiconductores

Ilustración que muestra la luz excitando electrones en dos moléculas del semiconductor orgánico conocido como buckminsterfullereno. El excitón recién formado (que se muestra con el punto brillante) primero se distribuye en dos moléculas antes de asentarse en una molécula (que se muestra a la derecha de la imagen). Crédito: Andreas Windischbacher

Nueva técnica de imágenes revela la dinámica de los excitones en productos orgánicos semiconductoresofreciendo información sobre sus propiedades cuánticas y su potencial para mejorar los materiales de conversión de energía.

Desde paneles solares en nuestros tejados hasta nuevas pantallas de televisión OLED, muchos dispositivos electrónicos cotidianos simplemente no funcionarían sin la interacción entre la luz y los materiales que componen los semiconductores. Una nueva categoría de semiconductores se basa en moléculas orgánicas compuestas principalmente de carbono, como el buckminsterfullereno. La forma en que funcionan los semiconductores orgánicos está determinada en gran medida por su comportamiento en los primeros momentos después de que la luz excita los electrones, formando «excitones» en el material.

Wiebke Bennecke. Crédito: Fotostudio Roman Brodel/Braunschweig

Investigadores de las universidades de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau y Grenoble-Alpes han conseguido por primera vez imágenes muy rápidas y precisas de estos excitones; de hecho, con una precisión de una billonésima de segundo (0,000.000.000.000.001 s) y una milmillonésima de metro (0.000.000.001m). Esta comprensión es esencial para el desarrollo de materiales más eficientes con semiconductores orgánicos.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista científica. Comunicaciones de la naturaleza.

Comprender la dinámica de los excitones

Cuando la luz incide sobre un material, algunos electrones absorben la energía y esto los pone en un estado excitado. En los semiconductores orgánicos, como los utilizados en los OLED, la interacción entre estos electrones excitados y los “huecos” restantes es muy fuerte, y los electrones y los agujeros ya no pueden describirse como partículas individuales. En cambio, los electrones cargados negativamente y los huecos cargados positivamente se combinan para formar pares, conocidos como excitones.

Comprender las propiedades de la mecánica cuántica de estos excitones en los semiconductores orgánicos se ha considerado un gran desafío, tanto desde el punto de vista teórico como experimental.

Dr. Crédito: Christina Möller

El nuevo método aclara este enigma. Wiebke Bennecke, físico de la Universidad de Göttingen y primer autor del estudio, explica: “Utilizando nuestro microscopio electrónico de fotoemisión, podemos reconocer que las fuerzas de atracción dentro de los excitones alteran significativamente su distribución de energía y su velocidad. Medimos cambios en el tiempo y el espacio con una resolución extremadamente alta y los comparamos con predicciones teóricas de la mecánica cuántica”.

Los investigadores se refieren a esta nueva técnica como tomografía por fotoemisión de excitones. La teoría detrás de esto fue desarrollada por un equipo dirigido por el profesor Peter Puschnig de la Universidad de Graz.

Avances en la investigación de semiconductores

Esta nueva técnica permite a los científicos, por primera vez, medir y visualizar la función de onda de la mecánica cuántica de los excitones. En pocas palabras, la función de onda describe el estado de un excitón y determina su probabilidad de estar presente.

El Dr. Matthijs Jansen de la Universidad de Göttingen explica la importancia de los hallazgos: “El semiconductor orgánico que estudiamos fue el buckminsterfullereno, que consta de una disposición esférica de 60 átomos de carbono. La pregunta era si un excitón siempre estaría localizado en una sola molécula o si podría distribuirse entre varias moléculas simultáneamente. Esta propiedad puede tener una gran influencia en la eficiencia de los semiconductores en las células solares”.

Profesor Stefan Mathias. Crédito: Stefan Mathias

La tomografía de fotoemisión de excitones proporciona la respuesta: inmediatamente después de que la luz genera el excitón, se distribuye entre dos o más moléculas. Sin embargo, en unos pocos femtosegundos, es decir, en una pequeña fracción de segundo, el excitón se reduce a una sola molécula.

En el futuro, los investigadores quieren registrar el comportamiento de los excitones utilizando el nuevo método. Según el profesor Stefan Mathias de la Universidad de Göttingen, esto tiene potencial: “Queremos ver, por ejemplo, cómo influye el movimiento relativo de las moléculas en la dinámica de los excitones en un material. Estas investigaciones nos ayudarán a comprender los procesos de conversión de energía en los semiconductores orgánicos. Y esperamos que este conocimiento contribuya al desarrollo de materiales más eficientes para las células solares”.

Referencia: “Desenredando las contribuciones de excitones multiorbitales mediante tomografía de excitones por fotoemisión” por Wiebke Bennecke, Andreas Windischbacher, David Schmitt, Jan Philipp Bange, Ralf Hemm, Christian S. Kern, Gabriele D'Avino, Xavier Blase, Daniel Steil, Sabine Steil, Martin Aeschlimann , Benjamin Stadtmüller, Marcel Reutzel, Peter Puschnig, GS Matthijs Jansen y Stefan Mathias, 28 de febrero de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-45973-x

Esta investigación se benefició de la financiación de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) para los centros de investigación colaborativos “Control de conversión de energía a escala atómica” y “Matemáticas experimentales” en Göttingen y “Spin+X” en Kaiserslautern-Landau. El equipo de Graz contó con financiación de la beca ERC Synergy Grant “Orbital Cinema” de la Unión Europea.