突破性的材料可以导致更便宜更广泛的太阳能电池板和电子产品

想象一下，使用简单的喷墨打印机打印电子设备 - 甚至将太阳能电池板涂在建筑物的墙壁上。

这种技术将大大降低制造电子设备的成本，并使新方法能够将它们融入我们的日常生活中。在过去的二十年中，已经开发出一种被称为有机半导体的材料，其由分子或聚合物制成，用于此目的。但是这些材料的某些特性构成了限制其广泛使用的主要障碍。

堪萨斯大学物理与天文学副教授Wai-Lun Chan说：“在这些材料中，电子通常与其对应物结合，一个被称为”空穴“的缺失电子，并且不能自由移动。“所谓的'自由电子'，在材料中自由漂移并导电，很少见，不能通过光吸收容易地产生。这阻碍了这些有机材料在太阳能电池板等应用中的使用，因为用这些材料构建的面板材料通常表现不佳。“

由于这个问题，陈说“释放电子”一直是开发太阳能电池，光传感器和许多其他光电应用的有机半导体的重点。

现在，由Chan和物理与天文学教授赵赵领导的KU的两个物理研究小组，结合单一的二硫化钼原子层(MoS 2)，有效地产生了有机半导体的自由电子，最近发现了两个尺寸(2-D)半导体。

引入的2-D层允许电子从“空穴”中逸出并自由移动。该研究结果刚刚发表在“美国化学学会杂志”上，该杂志是化学和接口科学领域的领先期刊。

在过去几年中，许多研究人员一直在研究如何通过混合有机2-D接口有效地产生免费电荷。

“一种流行的假设是，只要电子可以在相对较短的时间内从一种材料转移到另一种材料，就可以从界面产生自由电子 - 不到一万亿分之一秒，”Chan说。“然而，我的研究生Tika Kafle和Bhupal Kattel和我发现超快电子转移的存在本身并不足以保证光吸收产生自由电子。这是因为'空洞'可以防止电子从离开界面。电子是否能够脱离这种结合力取决于界面附近的局部能量景观。“

Chan说，电子的能量景观可以看作是山的地形图。

“一名徒步旅行者根据高度等高线图选择他的路径，”他说。“类似地，两种材料之间界面处的电子运动受到界面附近的电子能量景观的控制。”

Chan和Zhao的研究结果将有助于制定如何设计“景观”以释放这种混合材料中的电子的一般原则。

这一发现是通过结合两个基于超快激光的高度互补的实验工具，Chan实验室的时间分辨光电子能谱和赵氏实验室的瞬态光学吸收实现的。两个实验装置都位于综合科学大楼的地下室。

在时间分辨光电子能谱实验中，Kafle使用超短激光脉冲，仅存在10千万亿分之一秒(10-14)秒来触发电子运动。使用这种短脉冲的优点是研究人员准确地知道电子旅程的开始时间。然后Kafle使用了另一种超短激光脉冲在相对于第一脉冲的精确控制时间再次击打样品。该第二脉冲足够能量从样品中释放出这些电子。通过测量这些电子的能量(现在在真空中)并利用能量守恒原理，研究人员能够在电子被踢出之前计算出电子的能量，从而揭示这些电子被击中后的旅程。第一个脉冲。该技术解决了受激电子在光吸收后穿过界面时的能量。因为只有样品前表面附近的电子可以通过第二脉冲释放，所以电子相对于界面的位置也以原子精度显示。

在瞬态光学吸收测量中，由Zhao监督的Peng Yao(访问学生)和KU毕业生Peymon Zereshki也使用双脉冲技术，第一脉冲以相同的方式启动电子运动。然而，在它们的测量中，第二脉冲通过检测从样品反射的第二脉冲的分数而不是踢出电子来实现监测电子的技巧。

“因为光可以穿透更长的距离，测量可以探测样品整个深度的电子，从而为第一种更”表面敏感“的技术提供补充信息，”赵说。“这些详细的测量使我们能够重建电子的轨迹并确定能够有效产生自由电子的条件。”

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