Ilustrasi menunjukkan elektron menarik cahaya dalam dua molekul semikonduktor organik yang dikenal sebagai buckminsterfullerene. Eksiton yang baru terbentuk (ditunjukkan oleh titik terang) mula-mula didistribusikan ke dua molekul sebelum mengendap pada satu molekul (ditunjukkan di sebelah kanan gambar). Kredit: Andreas Windischbacher
Teknik pencitraan baru mengungkapkan dinamika eksiton secara organik semikonduktormenawarkan wawasan tentang sifat kuantum dan potensinya untuk meningkatkan material konversi energi.
Dari panel surya di atap hingga layar TV OLED baru, banyak perangkat elektronik sehari-hari tidak akan berfungsi tanpa interaksi antara cahaya dan bahan pembentuk semikonduktor. Kategori semikonduktor baru didasarkan pada molekul organik, yang sebagian besar terdiri dari karbon, seperti buckminsterfullerene. Cara kerja semikonduktor organik sangat ditentukan oleh perilakunya pada beberapa saat pertama setelah cahaya mengeksitasi elektron, membentuk “eksitasi” pada material.
Wiebke Bennecke. Kredit: Foto studio Roman Brodel/Braunschweig
Para peneliti dari Universitas Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau dan Grenoble-Alpes kini, untuk pertama kalinya, membuat gambaran yang sangat cepat dan sangat tepat dari rangsangan-rangsangan ini – bahkan, akurat hingga seperseperempat triliun detik (0,000,000,000,000,001 detik ) dan sepersejuta meter (0,000,000,001m). Pemahaman ini penting untuk mengembangkan material yang lebih efisien dengan semikonduktor organik.
Hasilnya dipublikasikan baru-baru ini di jurnal ilmiah Komunikasi Alam.
Memahami Dinamika Exciton
Ketika cahaya mengenai suatu material, beberapa elektron menyerap energi tersebut dan ini menempatkan mereka dalam keadaan tereksitasi. Dalam semikonduktor organik, seperti yang digunakan dalam OLED, interaksi antara elektron tereksitasi dan “lubang” yang tersisa sangat kuat, dan elektron serta lubang tidak dapat lagi digambarkan sebagai partikel individual. Sebaliknya, elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif bergabung membentuk pasangan, yang dikenal sebagai eksiton.
Memahami sifat mekanika kuantum dari rangsangan dalam semikonduktor organik telah lama dianggap sebagai tantangan besar – baik dari sudut pandang teoritis dan eksperimental.
Dr. Matthijs Jansen. Kredit: Christina Möller
Metode baru ini menyoroti teka-teki ini. Wiebke Bennecke, fisikawan di Universitas Göttingen dan penulis pertama studi tersebut, menjelaskan: “Dengan menggunakan mikroskop elektron fotoemisi, kami dapat mengenali bahwa gaya tarik menarik dalam rangsangan secara signifikan mengubah distribusi energi dan kecepatannya. Kami mengukur perubahan dengan resolusi sangat tinggi baik dalam ruang maupun waktu, dan membandingkannya dengan prediksi teoretis mekanika kuantum.”
Para peneliti menyebut teknik baru ini sebagai tomografi eksitasi fotoemisi. Teori di baliknya dikembangkan oleh tim yang dipimpin oleh Profesor Peter Puschnig di Universitas Graz.
Kemajuan dalam Penelitian Semikonduktor
Teknik baru ini memungkinkan para ilmuwan, untuk pertama kalinya, mengukur dan memvisualisasikan fungsi gelombang mekanika kuantum dari rangsangan. Sederhananya, fungsi gelombang menggambarkan keadaan suatu eksiton dan menentukan probabilitas kehadirannya.
Matthijs Jansen, Universitas Göttingen, menjelaskan pentingnya temuan ini: “Semikonduktor organik yang kami pelajari adalah buckminsterfullerene yang terdiri dari susunan bola 60 atom karbon. Pertanyaannya adalah apakah eksiton akan selalu terletak pada satu molekul atau apakah eksiton dapat didistribusikan ke beberapa molekul secara bersamaan. Sifat ini dapat memberikan pengaruh besar terhadap efisiensi semikonduktor dalam sel surya.”
Profesor Stefan Mathias. Kredit: Stefan Mathias
Tomografi eksiton fotoemisi memberikan jawabannya: segera setelah eksiton dihasilkan oleh cahaya, eksiton didistribusikan ke dua atau lebih molekul. Namun, dalam beberapa femtodetik, yang berarti sepersekian detik, eksiton menyusut kembali menjadi satu molekul.
Kedepannya, para peneliti ingin mencatat perilaku eksiton tersebut dengan menggunakan metode baru. Menurut Profesor Stefan Mathias, Universitas Göttingen, hal ini mempunyai potensi: “Misalnya, kita ingin melihat bagaimana gerakan relatif molekul mempengaruhi dinamika rangsangan dalam suatu material. Investigasi ini akan membantu kita memahami proses konversi energi dalam semikonduktor organik. Dan kami berharap pengetahuan ini akan berkontribusi pada pengembangan bahan sel surya yang lebih efisien.”
Referensi: “Menguraikan kontribusi multiorbital eksiton dengan tomografi eksiton fotoemisi” oleh 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 dan Stefan Mathias, 28 Februari 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-45973-x
Penelitian ini mendapat manfaat dari pendanaan German Research Foundation (DFG) untuk Pusat Penelitian Kolaboratif “Kontrol Skala Atom Konversi Energi” dan “Mathematics of Experiment” di Göttingen dan “Spin+X” di Kaiserslautern-Landau. Tim di Graz didukung oleh pendanaan dari ERC Synergy Grant “Orbital Cinema” dari Uni Eropa.
