Лучшее из двух миров: Физики создали гибридную частицу для солнечных батарей будущего

Международная команда учёных из университетов Гёттингена, Марбурга, Берлина и Граца совершила важный прорыв в физике полупроводников. Исследователи объединили два перспективных типа материалов — органические и двумерные полупроводники — и обнаружили на их границе принципиально новый тип квазичастиц. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Экситоны — это квантово-механические частицы, состоящие из электрона, связанного с электронной дыркой. Они возникают при поглощении света в полупроводниках и играют ключевую роль в работе солнечных батарей и светодиодов. Однако в разных материалах экситоны ведут себя по-разному: в органических полупроводниках они практически неподвижны, буквально «застревают» на месте, тогда как в двумерных полупроводниках свободно перемещаются по всему материалу.

Учёные решили выяснить, что произойдёт, если совместить эти два класса веществ. Для эксперимента они использовали двумерный материал диселенид вольфрама (WSe₂) и органический полупроводник PTCDA. С помощью продвинутой фотоэлектронной спектроскопии — так называемой импульсной микроскопии — исследователи смогли буквально снять «фильм» о том, как электронная структура меняется под воздействием света.

Результат превзошёл ожидания. На границе двух материалов возникли гибридные экситоны, сочетающие свойства обоих типов. «Ключ к сверхбыстрому переносу энергии — это формирование гибридных экситонов, для которых мы теперь нашли характерную экспериментальную сигнатуру», — объясняет профессор Стефан Матиас из Гёттингенского университета.

Скорость процессов поразила даже самих учёных. Оказалось, что поглощение фотона в двумерном материале приводит к переносу энергии в органический слой менее чем за одну десятитриллионную долю секунды. Такое временное разрешение — квадриллионные доли секунды — позволило впервые детально проследить фундаментальные микроскопические процессы на границе раздела материалов.

Практическое значение открытия трудно переоценить. «Наши результаты позволяют лучше понять и эффективно использовать фундаментальные процессы переноса энергии и заряда в полупроводниковых наноструктурах. Это важнейший шаг к созданию эффективных солнечных батарей, сверхбыстрых оптоэлектронных компонентов и новых приложений в квантовых технологиях», — говорит Вибке Беннеке, первый автор исследования. Она также отмечает символичность открытия: в год столетия квантовой механики оно наглядно демонстрирует, насколько эта теория актуальна для технологий будущего.