Физики создали органический полупроводник, заставляющий электроны двигаться по спирали

Ученые создали органический полупроводник, обеспечивающий электронам движение по спирали. Это открытие повысит эффективность OLED-дисплеев в телевизорах и смартфонах и найдет применение в спинтронике и квантовых вычислениях.

Внутренняя структура большинства неорганических полупроводников, таких как кремний, симметрична, поэтому электроны движутся через них без предпочтительного направления.

Однако в природе молекулы часто имеют хиральную структуру: хиральные молекулы являются зеркальными отражениями друг друга, но при совмещении в пространстве не повторяют друг друга, как человеческие руки. Правые и левые молекулы значительно отличаются по свойствам. Хиральность играет важную роль в биологических процессах, но затрудняет работу с органическими веществами в электронике.

Используя молекулярные приемы, вдохновленные природой, исследователи смогли создать хиральный полупроводник, заставив стопки полупроводниковых молекул формировать упорядоченные правые или левые спиральные колонны. Разработанный полупроводник излучает циркулярно поляризованный свет, что означает, что свет несет информацию о «хиральности» электронов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

«В отличие от жестких неорганических полупроводников, эти материалы предлагают невероятную гибкость, позволяя нам создавать совершенно новые структуры, такие как хиральные светодиоды. Это как работать с набором Lego, где есть всевозможные формы, а не только прямоугольные кирпичики», — сказал профессор сэр Ричард Френд (Richard Friend), соавтор исследования. 

Одно из перспективных применений хиральных полупроводников — технологии для изготовления дисплеев. Эти приборы часто теряют значительное количество энергии из-за методов фильтрации света. Хиральный полупроводник, разработанный исследователями, естественным образом излучает свет таким образом, что может снизить эти потери, делая экраны ярче и энергоэффективнее.

Полупроводник собран из триазатруксена (TAT), способного к самоорганизации в спиральные стопки органического материала. Полученная конфигурация дает электронам двигаться спирально, как по резьбе винта.

«При возбуждении синим или ультрафиолетовым светом самоорганизующийся TAT излучает яркий зеленый свет с сильной циркулярной поляризацией — эффект, которого до сих пор было трудно достичь в полупроводниках. Структура TAT позволяет электронам эффективно двигаться и одновременно влияет на то, как излучается свет», — сказал соавтор исследования Марко Прейсс (Marco Preuss).

Исследователи адаптировали методы изготовления OLED (органических светодиодов), и интегрировали TAT в работающие циркулярно поляризованные OLED (CP-OLED). Созданные ими устройства показали рекордную эффективность, яркость и уровень поляризации.

Ученые говорят, что это «настоящий прорыв» по уровню контроля над движением электронов в светодиоде. Они также считают, что их работа важна для квантовых вычислений и спинтроники — области исследований, использующей спин (собственный момент импульса) электронов для хранения и обработки информации.