Что из себя представляют изогнутые зеленые свечения над полимерным полупроводником?
В каждом научном открытии в кино ученый наблюдает что-то неожиданное, почесывает лоб и произносит «хмммм». В реальной жизни именно в такой момент ученые из Канады зафиксировали неожиданные вспышки зеленого света, исходящие от красного светодиодного полимера на его поверхности. Эти вспышки напоминали цветные дуги, которые образуют полярные сияния над полюсами Земли, предоставляя подсказку о своем происхождении.
Их исследование нового явления может помочь в понимании причин сбоев полимерных материалов и многого другого.
Джун Гао, профессор и заведующий кафедрой инженерной физики в Институте инженерной физики и астрономии Университета Куинс в Онтарио, Канада, и аспирант Донзе Ван исследовали характеристики полупроводников, называемых полимерными светодиодными электрохимическими ячейками, или PLECs.
PLECs являются продолжением исследований проводящих полимеров, за которые в 2000 году была присуждена Нобелевская премия по химии Алану Хигеру, Алану Г. Макиарди и Хидэки Ширакаве. Эти органические полупроводники имеют одну сторону, легированную для создания n-тип полупроводника с избытком электронов, и другую сторону, представляющую собой p-тип полупроводника с «дырами» электронов.
При нормальной работе приложенное напряжение вызывает миграцию электронов по материалу, заполняя «дыры» и создавая излучение красного света.
Используемые командой PLECs имели плоскую конфигурацию, а не сэндвич-структуру. Ван и Гао исследовали «красивые» (по словам Гао) повреждения в PLECs, называемые «электрическим деревом», при котором ветвящиеся структуры, напоминающие деревья, проникают в полимер, создавая пустоты, которые нарушают его работу.
Чтобы усилить это явление, они охладили PLEC до 200 K (-73°C) и увеличили и изменили направление приложенного напряжения до 1000 вольт, при этом отрицательный контакт был на p-тип стороне, а положительный - на n-тип стороне, создавая обратное смещение. «Произошло значительное электрическое дерево, сопровождаемое оранжево-красным светом от верхушек деревьев», — рассказал Гао изданию Phys.org.
«Мы полагали, что возбуждение светодиодного полимера MEH-PPV вызвало оранжево-красный свет», — отметил Гао. MEH-PPV — это растворимый производный полифениленвинилен, который широко используется в качестве светового эмиттера в полимерных светодиодах (LED). Они подтвердили, что этот свет был вызван возбуждением, проведя спектральные измерения излучения.
«Однако мы не были готовы к вспышкам зеленого света, поскольку MEH-PPV не излучает зеленый свет», — вспомнил Гао.
Изучая изображения PLEC, они заметили странные, слегка изогнутые вспышки зеленого света, возникающие чуть выше электрода n-типа, при этом на другой стороне не наблюдалось красного света. Увеличение напряжения между электродами приводило к увеличению числа и продолжительности дуг.
Эти вспышки могли простираться далеко за пределы краев электродов, что исключало полимерную пленку как источник излучения, а легкая кривизна световых вспышек поднимала вопрос о том, могли ли частицы изгибаться в магнитном поле.
«[Поэтому] мы нашли небольшой постоянный магнитный диск в лаборатории и поместили его рядом с тестируемым PLEC», — сказал Гао, «где мы наблюдали значительное отклонение зеленого света».
Исследователи собрали эти изображения в видеоролик, который, по словам Гао, «при воспроизведении создавал впечатление, что вспышки зеленого света напоминают по цвету и форме аврору». Они определили соотношение заряда к массе этих частиц, измерив радиус кривизны дуг — простую процедуру, часто выполняемую на занятиях по физике для первокурсников, и обнаружили, что оно соответствует соотношению e/m электрона.
В ходе своего исследования они выяснили, что электроны выбрасываются в свободное пространство благодаря механизму, называемому «полевой эмиссией», с острых концов электрических «деревьев».
Ван и Гао предполагают, что вспышки зеленого света вызваны потоками электронов, которые бомбардируют и возбуждают неизвестный светящийся пар, возможно, газы, образующиеся в результате разрушения полимера. Этот светящийся пар состоит из фрагментов MEH-PPV, высвобождаемых в процессе электрического образования.
Короткие фрагменты MEH-PPV излучают более короткие волны (зеленый свет имеет более короткую длину волны, чем красный и оранжевый), поскольку носители заряда более ограничены в пространстве, что приводит к большему энергетическому разделению между оптическими переходами.
Это первое наблюдение, когда легированный полимер проявил себя как мощный эмиттер свободных электронов, хотя и при относительно низкой температуре. Гао предполагает, что полимерный электронный эмиттер может быть использован в дисплеях с полевой эмиссией в качестве источника электронов.
Их работа также демонстрирует новый метод визуализации траектории полета электронов и вычисления их соотношения заряда к массе при отклонении в известном магнитном поле.
Спектральные характеристики светового излучения предоставляют важные подсказки о продуктах разложения полимерных пленок, по словам Гао, и позволяют идентифицировать неизвестные соединения с помощью «спектроскопии электрического разряда», а также дают возможность измерять сопротивление полимерной пленки к интенсивному электрическому стрессу.
Наконец, Гао отметил: «Это может стать уникальным универсальным устройством для обучения молодых ученых множеству физических концепций, таких как легирование, p-n переход, генерация света и заряженные частицы». Возможно, когда-нибудь вы увидите подобное и в кино.
