В последние годы органические полупроводниковые материалы привлекли значительное внимание как ключевые компоненты для устройств преобразования энергии следующего поколения и органических солнечных элементов. Это связано с их малым весом и механической гибкостью.
Важным фактором, определяющим их производительность, является миграция фотовозбуждённых экситонов между молекулами, то есть процесс диффузии экситонов. Однако предыдущие исследования предоставляли только усреднённые данные, что затрудняло прямое наблюдение за диффузией внутри отдельных кристаллов или наноструктур.
Для нового исследования, опубликованного в The Journal of Physical Chemistry Letters, группа учёных под руководством доцента Юкихидэ Исибаси из Высшей школы естественных и инженерных наук университета Эхиме разработала метод фемтосекундной спектроскопии с временным разрешением для отдельных частиц. Это позволило визуализировать диффузию экситонов в отдельных нановолокнах медного фталоцианина (CuPc).
Молекулярные кристаллы CuPc известны тем, что в них есть две кристаллические фазы — η (эта) и β (бета), которые различаются молекулярной упаковкой и силой π–π взаимодействий. Измерения показали, что коэффициент диффузии экситонов в нановолокнах η-фазы примерно в три раза больше, чем в нановолокнах β-фазы, что указывает на более дальний перенос энергии. Это улучшение обусловлено большим углом наклона молекул и более сильным π-электронным перекрытием в η-фазе, что приводит к усилению межмолекулярного экситонного взаимодействия.
Более того, даже в пределах одной кристаллической фазы коэффициент диффузии имел распределение, что говорит о влиянии микроскопических дефектов и структурных нарушений на эффективность переноса экситонов.
Эта работа представляет собой первое прямое наблюдение на наноуровне диффузии экситонов в органических кристаллах, проясняя взаимосвязь между молекулярной упаковкой и миграцией фотоэнергии. Результаты предоставляют новые принципы проектирования для достижения более высокой эффективности в органических устройствах преобразования энергии и оптоэлектронных устройствах.
Предоставлено университетом Эхиме.