Organische Halbleiter sind eine aufstrebende Materialklasse für optoelektronische Geräte wie Solarzellen und organische Leuchtdioden. Daher ist es wichtig, die Materialeigenschaften auf spezifische Anforderungen wie effiziente Lichtabsorption und -emission, lange Lebensdauern angeregter Zustände oder exotischere Eigenschaften (wie Singulett-Spaltung) abzustimmen. Einer der Vorteile dieser organischen Halbleiter gegenüber herkömmlichen anorganischen Halbleitern besteht darin, dass durch Veränderung des Designs der Moleküle viele verschiedene Eigenschaften erzeugt werden können. Für seinen Ph.D. Forschung erforschte Anton Berghuis die Veränderung von Materialeigenschaften durch Licht.
Fortschritte bei Nanofabrikationstechniken ermöglichten die Strukturierung von Materie auf der Skala der Lichtwellenlänge. Dadurch kann die Wechselwirkung von Licht und Materie verstärkt werden, was zu interessanten neuen Eigenschaften führt.
In seiner Promotion Forschung entwarfen Anton Berghuis und seine Mitarbeiter eine Nanostruktur, die aus Silbernanopartikeln besteht, die in einem rechteckigen Gitter so angeordnet sind, dass der Hohlraum Resonanzen im optischen Bereich unterstützt. Beim Abstimmen der optischen Resonanz auf die Exzitonenenergie in einem organischen Halbleiter können das Licht in der Kavität und das Exziton interagieren, wenn der Halbleiter auf der Kavität platziert wird.
Wenn diese Wechselwirkung stärker ist als der Durchschnitt der Verluste des Exzitons und der Kavität, führt die Wechselwirkung zu einer Hybridisierung des Exziton- und Kavitätsmodus, und wir sprechen vom starken Kopplungsregime. Die Hybridisierung wird durch die Einführung eines Quasiteilchens namens Exciton-Polariton beschrieben, das Eigenschaften sowohl des Exzitons als auch der Photonen in der Kavität aufweist.
Drei Entdeckungen
Berghuis hat drei Entdeckungen im Zusammenhang mit dieser Licht-Materie-Wechselwirkung gemacht. Erstens zeigte er, dass es möglich ist, die Wechselwirkungsstärke zwischen dem Hohlraum und den Molekülen einzustellen, indem man die Orientierung der Moleküle im Hohlraum wählt. Dies ermöglichte die Modifizierung der Absorptions- und Emissionsspektren des gekoppelten Systems.
Zweitens beobachtete Berghuis, dass Tetracen-Moleküle im Hohlraum mehr Licht emittieren und das Licht über einen längeren Zeitraum emittieren. Obwohl das Signal um den Faktor 4 höher war als außerhalb der Kavität, war die Gesamtemission immer noch sehr gering. Das Phänomen ist jedoch sehr interessant und sollte weiter untersucht werden. Wenn die Emissionseffizienz weiter verbessert werden kann, könnte dieses Design in organischen Leuchtdioden (OLEDs) angewendet werden.
Zuletzt untersuchte er die Transportlänge der gekoppelten Exziton-Polaritonen, eine sehr wichtige Eigenschaft für Materialien, die in organischen Solarzellen verwendet werden. Die Forschung zeigte, dass die Exziton-Polaritonen im Hohlraum im Vergleich zu ungekoppelten Exzitonen bis zu 100-mal weiter wanderten. Dies ist ein sehr vielversprechendes Ergebnis, aber zukünftige Forschung sollte untersuchen, ob diese propagierten Exziton-Polaritonen (die teilweise einen photonischen Charakter haben) auf andere Moleküle übertragen werden können. Wenn die Übertragung der Exziton-Polaritonen auf andere Moleküle tatsächlich effizient ist, eröffnet dies die Möglichkeit, das Design der organischen Photovoltaik zu verbessern, was zu einer längeren Lebensdauer der Solarzellen ohne Effizienzverlust führen kann.
Titel des Ph.D. These: „Starke Licht-Materie-Kopplung in organischen Kristallen.“ Betreuer: Jaime Gómez Rivas und Alberti González Curto.