Tým vědců z Univerzity Karlovy, Vysokého učení technického v Brně a Masarykovy univerzity přinesl nové poznatky o struktuře a interakcích organických molekul se světlem. Výsledky výzkumu, který vyšel v prestižním vědeckém časopise Nano Letters, ukazují, jak lze grafen využít jako základ pro přípravu vysoce uspořádaných molekulárních struktur a studium jejich kvantových vlastností.
Studii Vibronic and Excitonic Structure of a Template-Engineered Molecular-Graphene Heterostructure zveřejnil časopis Nano Letters
Grafen, tvořený jedinou vrstvou atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníkové mřížky, patří mezi materiály s mimořádnými fyzikálními vlastnostmi. Díky své elektronové struktuře a atomárně uspořádanému povrchu nabízí nejen potenciál pro budoucí elektronické a optické technologie, ale také jedinečné prostředí pro studium chování jiných materiálů na atomární úrovni. Vědci nyní využili grafen jako šablonu pro uspořádání organických molekul a zkoumali, jak v takto vytvořené struktuře vzájemně působí světlo, elektronové excitace a vibrace molekul.
Tým vedený doc. Janem Kuncem z Fyzikálního ústavu UK se ve své nové práci zaměřil na tenké vrstvy organického polovodiče hexamethoxytrifenylenu (HMTP). HMTP jsou složitější uhlíkaté molekuly, které mohou absorbovat a vyzařovat světlo. Vrstvy tohoto polovodiče vědci nanesli na epitaxní grafen připravený na karbidu křemíku.
Krystalová mřížka grafenu ovlivňuje uspořádání molekul a umožňuje vytvořit mimořádně dobře uspořádanou molekulární strukturu. Pro dosažení takto vysoké kvality uspořádání bylo nutné vyvinout speciálních postupy nanofabrikace, které umožňují zachovat atomárně čistý povrch grafenu pro jeho následnou analýzu pomocí povrchově citlivých metod. Tým využíval optickou spektroskopii, elektronovou difrakci a další pokročilé mikroskopické metody.
Vědci nejprve měřili, jak zkoumaný materiál absorbuje a vyzařuje světlo. Na základě dat poté vznikl matematický model, který popisuje, jak se v materiálu vzájemně ovlivňují elektronové excitace a vibrace molekul.
Když molekula pohltí foton, tedy částici světla, může se jeden z jejích elektronů dostat do energeticky vyššího stavu. V molekule tím vznikne excitace: elektron je ve vyšším energetickém stavu a zůstane po něm jakési „prázdné místo“, které fyzikové označují jako díru.
Elektron a díra spolu souvisejí a vázaný pár se nazývá exciton. V soustavě sousedních molekul nemusí excitace zůstat na jediné molekule. Díky vzájemnému působení se může rozprostřít mezi více molekulami.
Výzkum ukázal, že molekuly se na povrchu grafenu vzájemně ovlivňují a vytvářejí dva odlišné energetické stavy. Vědci také zjistili, že vibrace molekul mají vliv na to, jak se energie v materiálu proměňuje a jaké světlo materiál vyzařuje. Díky tomu mohli lépe porozumět procesům, které se uvnitř molekulární struktury odehrávají.
„V naměřených spektrech optické absorpce a emise jsme odhalili komplexní strukturu, která odpovídá vzniku dvou odlišných excitonových stavů oddělených energií přibližně 90 meV. Tyto stavy, označované jako světlé a temné excitony, se liší intenzitou své interakce se světlem. V práci jsme rovněž prokázali zásadní roli molekulárních vibrací při relaxaci elektronových excitací a následné emisi světla,“ říká doc. Jan Kunc.
Molekuly nejsou nehybné. Jejich atomy neustále kmitají (vibrují). Když materiál absorbuje světlo a vznikne exciton, může se jeho energie postupně přerozdělovat. Tomuto procesu se říká relaxace.
Následoval matematický popis toho, jak silně se elektronové excitace a vibrace ovlivňují a jak se toto propojení projevuje v měření světla. „Experimentální výsledky jsme interpretovali pomocí analytického modelu, který popisuje vazbu mezi elektronovými excitacemi a molekulárními vibracemi. Rozvojem dipólového momentu podle vibračních souřadnic jsme do Franckova–Condonova modelu zahrnuli Herzbergovu–Tellerovu korekci, která umožňuje popsat netriviální intenzitní profil pozorovaný experimentálně,“ popisuje doc. Kunc.
Díky kombinaci několika nezávislých experimentálních metod a teoretického modelu mohli výzkumníci určit klíčové parametry elektronově-vibrační vazby. Ty v budoucnu mohou sloužit i při parametrizaci složitějších teoretických modelů (například tzv. Holsteinova hamiltoniánu, jehož parametry je obtížné určit z prvních principů).
Připravená heterostruktura grafenu s organickým molekulárním krystalem představuje perspektivní experimentální platformu pro studium základních kvantových jevů v organických polovodičích s potenciálním využitím v budoucí molekulární optoelektronice a kvantových technologiích.
Zdroj: Matematicko-fyzikální fakulta UK
“Výzkum v Nano Letters odhalil nové poznatky o excitonech v organických polovodičích.”
Jaké nové poznatky přinesl výzkum?
Výzkum odhalil nové poznatky o excitonech a vibračním chování molekul.
Kdo vedl tým vědců?
Tým vedl doc. Jan Kunc z Fyzikálního ústavu UK.
Jaký organický polovodič byl zkoumán?
Zkoumán byl organický polovodič hexamethoxytrifenylenu (HMTP).
💬 Klíčové informace
- Výzkum ukázal, že molekuly se na povrchu grafenu vzájemně ovlivňují a vytvářejí dva odlišné energetické stavy.
