Прорыв в органической электронике: найден материал, одновременно излучающий свет и генерирующий электричество

Научное сообщество долгое время стремилось создать универсальный органический материал для «зелёной» электроники, который мог бы одновременно и излучать свет, и преобразовывать солнечную энергию в электричество, минуя сложные многослойные структуры. Исследователи из Кембриджского университета объявили о значительном прорыве, представив радикальный полупроводник, способный на прямое разделение электрических зарядов под действием света — свойство, ранее считавшееся недостижимым для подобных органических соединений.

Суть открытия: один материал — две функции

В статье, опубликованной в престижном журнале Nature Materials, описано первое в истории наблюдение явления, названного «интринсивной межмолекулярной фотостимулированной сепарацией зарядов». Материал основан на молекулах, каждая из которых обладает неспаренным электроном (радикалом). Это открытие прокладывает путь к созданию лёгких и гибких устройств нового поколения, которые смогут одновременно собирать энергию и испускать свет, потенциально подзаряжаясь автономно от солнечного излучения.

Как это работает: революция в одном веществе

Учёный Биуэн Ли пояснил принцип действия. Молекулы вещества P3TTM (трифенил-замещённый трис-(2,4,6-трихлорфенил)-метил) при освещении естественным образом обмениваются электронами, формируя положительные и отрицательные заряды. Эти заряды способны двигаться независимо друг от друга под действием электрического поля. Таким образом, был продемонстрирован «однофазный переход» — процесс разделения заряда внутри одной и той же органической молекулы, без необходимости создавать сложные гетероструктуры.

В отличие от традиционных органических полупроводников, которым для разделения зарядов требуется пара разных молекул (донор и акцептор), радикальные полупроводники содержат молекулы с неспаренным электроном на особой орбитали (SOMO). Ранее такие радикалы ценились в основном за яркое и стабильное свечение, что делало их перспективными для OLED-дисплеев, но их потенциал для генерации электричества оставался нераскрытым.

Экспериментальное подтверждение

Исследования показали, что при плотной упаковке молекул P3TTM под воздействием света в них спонтанно образуются парные заряды. Спектроскопический анализ зафиксировал два типа свечения: быстрый импульс и замедленную красную полосу. Именно эта слабая задержанная люминесценция стала ключевым доказательством процесса восстановления пар анионов и катионов, то есть реального разделения зарядов.

Обратите внимание: Пилоты будут контролировать до трех самолетов одновременно … только лишь с помощью мыслей.

Дальнейшие испытания подтвердили почти стопроцентную эффективность сбора зарядов в диоде, изготовленном исключительно из P3TTM. Каждый поглощённый фотон производил полезный электрический заряд, что является выдающимся результатом.

Перспективы и значение открытия

Этот эффект открывает дорогу для создания принципиально нового класса автономных электронных систем. В будущем технология может быть применена в самоподдерживающихся датчиках, медицинских имплантатах, а также в солнечных элементах, встроенных прямо в экраны OLED-дисплеев. Материал может стать связующим звеном между традиционной кремниевой фотовольтаикой и развивающейся органической оптоэлектроникой.

Кроме того, радикальные материалы активно изучаются в таких передовых областях, как квантовые вычисления, спинтроника и хиральная оптоэлектроника, где критически важен контроль над зарядами и спинами. Возможность вызывать разделение зарядов непосредственно внутри радикальной системы сделает эти технологии ещё более эффективными и устойчивыми.

Эти открытия стирают границу между материалами, генерирующими свет, и материалами, собирающими энергию. Вскоре может стать реальностью создание устройства, которое одновременно светится и полностью обеспечивает себя электроэнергией.

Доктор Хьюго Бронштейн подчеркнул фундаментальную значимость исследования: «Мы не просто улучшаем старые конструкции. Мы переписываем учебники, показывая, что органические материалы способны самостоятельно создавать заряд».

Данная работа представляет собой настоящий прорыв, который способен дать мощный импульс развитию экологически чистой энергетики и стать основой для революционных технологий будущего.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Учёные давно искали идеальный материал для экологически чистых электронных устройств: одну органическую субстанцию, которая одновременно излучала бы свет и вырабатывала электроэнергию без сложных соединений и легированных слоёв.