Фотон и связку органических и неорганических полупроводников в возбуждённом состоянии можно использовать для повышения эффективности фотоэлементов и светодиодов будущего.

Специалисты Мичиганского университета (США) сообщают об устойчивом возникновении гибридных поляритонов при взаимодействии органических и неорганических полупроводников в одном устройстве.

Рис. 1. При взаимодействии входящего фотона и двух экситонов от разных типов полупроводников образуется гибридный поляритон. (Иллюстрация Tal Galfsky / CUNY).

Неорганические материалы давно составляют основу современной электроники, в то время как органические полупроводники обещают намного более низкую цену на сырьё и сравнительно высокую гибкость при хорошей механической прочности. Чтобы изучить возможный потенциал гибридизации этих двух типов материалов, исследователи попробовали получить на их основе гибридный поляритон.

«Мы скомбинировали возбуждённые состояния двух принципиально разных материалов и получили при этом новое квантовомеханическое состояние, сочетающее все сильные стороны обоих классов», — говорит Стивен Форрест (Stephen Forrest).

Представленное командой г-на Форреста демонстрационное устройство состоит из нановолокон оксида цинка, окружённого тетракарбоксильным диангидридом нафталина (NTCDA).

«Эти материалы были выбраны потому, что их возбуждённые состояния наблюдаются при почти одинаковых энергиях. То есть они находятся в резонансе друг относительно друга», — поясняет учёный.

Слоёные конструкции из двух материалов были размещены между парой зеркал, что позволило создать оптический резонатор, улавливающий поступающие извне фотоны, которые направляют туда исследователи. Поскольку их энергия была выбрана точно такой же, как та, что характеризует возбуждённые состояния обоих веществ, итогом стало возникновение поляритона.

Исследователи уподобляют получившуюся полость двум качелям, соединённым пружиной: качелями в данном случае выступают экситоны, то есть пары электрон — дырка, а пружиной — фотон.

В упомянутом оптическом резонаторе фотон, по сути, «склеивает» вместе пары электрон — дырка органического и неорганического полупроводников, формируя гибридный поляритон, являющийся здесь особо эффективным средством переноса энергии от одного материала к другому.

Благодаря появлению гибридного поляритона, подчёркивают учёные, такие конструкции, объединяющие разнородные полупроводники, можно будет использовать для повышения эффективности фотоэлементов, светодиодов «органика — неорганика» и оптического переключения состояний, применяемого во многих областях современной электроники.

Особо отмечается, что,

в отличие от предшествующих опытов такого рода, гибридные поляритоны возникают не только вне зависимости от угла входящего света (который для тех же солнечных батарей нельзя отрегулировать), а изменение оптических параметров резонатора позволяет легко управлять параметрами системы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.