Органический полупроводник запускает электроны спирали 18.03.2025

Британские ученые сделали важное открытие в области материаловедения, создав органический полупроводник, который заставляет электроны двигаться по спирали. Это достижение может значительно улучшить эффективность OLED-дисплеев, используемых в телевизорах и смартфонах, а также открыть новые горизонты для таких передовых технологий, как спинтроника и квантовые вычисления.

Основные полупроводники, такие как кремний, имеют симметричную структуру, что означает, что электроны в них движутся без определенного направления. В отличие от этого, молекулы в природе нередко имеют хиральную структуру. Хиральность подразумевает, что молекулы могут быть зеркальными отражениями друг друга, но, несмотря на это, они не могут быть наложены друг на друга в пространстве, как, например, левая и правая руки. Это явление имеет важное значение для биологических процессов, но оно также делает работу с органическими веществами в электронике более сложной.

Именно природа вдохновила ученых на создание хирального полупроводника. Используя молекулярные технологии, исследователи заставили молекулы полупроводника формировать упорядоченные спиральные колонны, которые могут быть правыми или левыми. Этот процесс позволяет электронам двигаться по спирали, что имеет важное значение для различных областей науки и техники. Оказавшись в таком устройстве, электроны начинают двигаться, как если бы они резали винт, что значительно меняет их поведение и взаимодействие с окружающим миром.

Один из ключевых аспектов хирального полупроводника заключается в том, что он излучает циркулярно поляризованный свет. Это означает, что свет, излучаемый таким материалом, несет информацию о "хиральности" электронов, что открывает новые возможности для создания более эффективных светодиодов и других устройств. По словам профессора Ричарда Френда, одного из авторов исследования, этот материал позволяет создавать такие структуры, как хиральные светодиоды, которые значительно отличаются от традиционных технологий. В отличие от жестких и ограниченных неорганических полупроводников, органические материалы, подобные этим, предоставляют гораздо большую гибкость, подобно набору Lego, в котором можно создавать различные формы.

Особое значение хиральные полупроводники могут иметь для создания дисплеев. Современные дисплеи часто теряют много энергии из-за методов фильтрации света, но хиральные полупроводники, благодаря своей природе, могут значительно снизить эти потери. Это сделает экраны более яркими и энергоэффективными, что особенно важно в условиях растущих требований к энергоэффективности в мобильных устройствах и телевизорах.

Для создания такого полупроводника ученые использовали молекулу триазатруксена (TAT), которая обладает способностью самоорганизовываться в спиральные структуры. При возбуждении синим или ультрафиолетовым светом, TAT излучает яркий зеленый свет с высокой циркулярной поляризацией. Это явление, как отмечает соавтор исследования Марко Прейс, до сих пор было трудно достичь в других полупроводниках, и структура TAT существенно улучшает как движение электронов, так и излучение света.

В ходе экспериментов ученые адаптировали методы создания OLED-дисплеев и интегрировали TAT в циркулярно поляризованные OLED-устройства (CP-OLED). Результаты экспериментов оказались впечатляющими: устройства, использующие хиральный полупроводник, продемонстрировали рекордные показатели по эффективности, яркости и уровню поляризации. Эти достижения можно назвать настоящим прорывом в области контроля за движением электронов в светодиодах, что открывает новые перспективы для различных технологий.

Хиральные полупроводники могут стать основой для дальнейших прорывов в области квантовых вычислений и спинтроники, где используется спин электронов для обработки и хранения информации. Это открытие не только расширяет горизонты современных технологий, но и поднимает вопросы о возможностях будущих исследований в этих высокотехнологичных областях.