Exciton Energy Routing via Defect Networks in hBN/2D-Perovskite Hybrids

Licht wordt vaak beschouwd als een straal die in een rechte lijn reist, maar in de microscopische wereld van materiaalkunde kan energie op meer verrassende manieren bewegen. Wanneer wetenschappers bestuderen hoe licht met materie interageert, kijken ze vaak naar deeltjes die exciton worden genoemd. Dit zijn geen fysieke objecten zoals knikkers, maar eerder paren deeltjes die ontstaan wanneer een materiaal energie absorbeert. Ze fungeren als kleine boodschappers die energie van de ene naar de andere plek binnen een materiaal dragen. In veel moderne technologieën, zoals zonnecellen of ultrasnelle computerchips, is het vermogen om deze energie efficiënt over lange afstanden te verplaatsen zonder dat deze vervaagt, cruciaal. Een grote uitdaging is echter geweest dat in veel veelbelovende materialen deze energiedragers de neiging hebben om snel uit te doven of vast te komen te zitten, wat beperkt hoe ver ze kunnen reizen. Onderzoekers zoeken naar manieren om deze energie over langere afstanden te geleiden, in de hoop betere apparaten te bouwen die bij kamertemperatuur kunnen werken zonder extreme kou nodig te hebben.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier ontdekt om deze energiedragers over een afstand te geleiden die opmerkelijk lang is voor de microscopische schaal, door een slimme combinatie van twee verschillende materialen te gebruiken. Ze creëerden een zandwichachtige structuur door een dunne laag van een materiaal genaamd hexagonaal boornitride op een laag van een specif kind kristal bekend als een tweedimensionale perovskiet te plaatsen. De perovskietlaag is uitstekend in het opvangen van energie en het creëren van excitonen, maar is ook fragiel en gemakkelijk te beschadigen door de instrumenten die worden gebruikt om het te bestuderen. De boornitridelaag, die transparant en zeer stabiel is, fungeert als een beschermend schild. Wanneer de onderzoekers een elektronenstraal gebruikten om het materiaal te exciteren, ontdekten ze dat de energie niet alleen bleef waar deze werd gecreëerd. In plaats daarvan reisde de energie door de beschermende bovenlaag over een afstand van wel 150 micrometer. Om dit in perspectief te plaatsen: deze afstand is ongeveer de breedte van een menselijke haar, wat enorm is voor energie die beweegt binnen een materiaal dat slechts enkele atomen dik is.

Het mechanisme achter deze langeafstandstransport is vrij uniek. De onderzoekers ontdekten dat de energiedragers in de onderste kristallaag niet direct door de bovenste laag reisden. In plaats daarvan draagden ze hun energie over aan minuscule, natuurlijk voorkomende imperfecties, of defecten, binnen de bovenste boornitridelaag. Denk aan deze defecten als een reeks stapstenen. Zodra de energie op een van deze stenen landde, kon het naar de volgende steen springen, en dan naar de volgende, om de energie in een keten door te geven. Dit proces zorgde ervoor dat de energie veel verder kon reiden dan het op eigen kracht zou kunnen. De studie toonde aan dat deze methode niet alleen de reisafstand verlengde, maar ook het licht dat door het materiaal werd uitgezonden helderder en gerichter maakte. De energiedragers leefden langer voordat ze vervaagden, en het materiaal werd beter bestand tegen schade door de elektronenstraal die werd gebruikt om het te observeren.

Om te bevestigen dat deze langeafstandstransport werkelijk plaatsvond, gebruikten de wetenschappers een gespecialiseerde opstelling waarbij ze een lichtverzamelende vezel weg konden bewegen van de plek waar de elektronenstraal het monster raakte. Ze observeerden dat zelfs toen de verzamelaar 150 micrometer verwijderd was van de bron, er nog steeds een sterk lichtsignaal werd gedetecteerd. Dit bewees dat de energie via de bovenste laag naar dat verre punt was gereisd. De onderzoekers sloten ook andere mogelijkheden uit, zoals het reizen van de energie als een golf langs het oppervlak of het rondstuiteren als een bal in een pinballmachine. Door de manier waarop de energie bewoog en de specifieke kleuren van het uitgezonden licht te analyseren, bepaalden zij dat het "stapsteenmodel", waarbij energie tussen defecten springt, de juiste verklaring was. Ze testten dit verder door het type kristal in de onderste laag te veranderen, wat de kleur van het licht veranderde, en observeerden dat de langeafstandstransport nog steeds plaatsvond, wat bevestigde dat het proces werd gedreven door de interactie tussen de twee materialen.

Deze ontdekking is belangrijk omdat het een langlopend probleem in het vakgebied oplost. Meestal zijn materialen die goed zijn in het stevig vasthouden van energie niet goed in het verplaatsen ervan over lange afstanden, en vice versa. Deze nieuwe hybride structuur beheerst beide: het houdt de energie stabiel terwijl het deze ook over een ultra-lange afstand laat reizen. De beschermende laag betekent ook dat deze delicate materialen kunnen worden bestudeerd en potentieel kunnen worden gebruikt in apparaten zonder te worden vernietigd door de instrumenten die nodig zijn om ze te onderzoeken. De bevindingen suggereren dat wetenschappers door deze specifieke materialen te combineren, nieuwe soorten optische apparaten kunnen creëren die efficiënter en duurzamer zijn. Dit zou kunnen leiden tot vooruitgang in technologieën die afhankelijk zijn van het opvangen van licht of het verzenden van informatie, wat een robuust platform biedt voor toekomstige innovaties in elektronica en energiewinning.