Of het nu gaat om OLED-displays of om organische zonnecellen. Wie de werking ervan wil optimaliseren, moet rekening houden met hoe de gebruikte hybride materialen op elkaar inwerken. Oliver Hofmann en zijn onderzoeksgroep van het Institute of Solid State Physics van de TU Graz zijn dat daarom gaan onderzoeken.
Onlangs heeft het team zijn aandacht gericht op de zogenoemde overdracht van lading over lange afstanden. Een overdracht van elektronen van het ene materiaal naar het andere kan al plaats vinden in uitgeschakelde toestand. Er moet dan wel sprake zijn van energetisch gunstigere toestanden voor de elektronen in het naburige materiaal.
Zoeken naar hoe diep elektronen inwerken
Tot nu toe zijn de wetenschappers het er nog niet over eens geworden hoe ver deze overdracht van elektronen in organisch materiaal kan gaan. De fundamentele vraag was dus eerst: Tot welke moleculaire positie vindt het plaats? Veel studies melden dat dit effect zich beperkt tot de eerste laag in de organisch-anorganische interfaces. Dit is de laag waarin de organische moleculen (organische laag) in direct contact staan met het metaaloppervlak (anorganische laag).
Andere onderzoeken gaan ervan uit dat het effect zich ook over grotere afstanden tot de tweede laag of daarbuiten uitstrekt. En dat is precies wat het interessant maakt: “Als dit bestaat, kan het effect worden gebruikt om de elektrische weerstand van het hybride materiaal te verminderen, waardoor het energiezuiniger wordt”, verklaart Hofmann zijn onderzoeksinteresse.
‘We wilden dit mysterie oplossen’
Om deze organisch-anorganische interfaces nog nauwkeuriger te kunnen traceren en vooral om de ladingsoverdracht over lange afstanden aan te tonen, hebben de onderzoekers een koper-tetracyano-ethyleen interface onderzocht (TCNE/Cu(111)). “Omdat er hier bijzonder sterke experimentele gegevens zijn die duiden op lange-afstandsladingen”, zo legt Hoffmann uit.
Tot op heden is er geen duidelijke theorie over waarom sommige systemen dit effect laten zien. Maar Hoffmann en zijn team wilden “dit mysterie oplossen om een basis te creëren voor het maken van materialen met dezelfde eigenschap”.
Voor hun analyse gebruikten de wetenschappers twee nieuwe machine-leermethoden, SAMPLE en BOSS. Door beide methoden te combineren, konden de onderzoekers meer dan twee miljoen potentiële interfacestructuren voor de TCNE-Cu overdrachten identificeren. Bovendien waren ze in staat om het gedrag van de moleculen onder verschillende experimentele omstandigheden te voorspellen. De resultaten toonden aan dat er geen sprake is van een lange-afstands-ladingstransfer! In plaats daarvan veranderen de moleculen in het systeem hun structuur.
Liggende moleculen gaan bij een bepaalde dichtheid staan
Als je ergens een laag moleculen opbrengt, behouden ze meestal hun gebruikelijke ordening. Daarnaast proberen ze dichter bij elkaar te komen tot ze bij een bepaalde dichtheid uiteindelijk van de eerste naar de tweede laag groeien. Dit is anders in het TCNE/Cu(111) systeem. Hier gaan de moleculen van de oorspronkelijke liggende positie naar een staande positie bij een bepaalde dichtheid, om zo nog dichter bij elkaar te kunnen komen. “Staande moleculen hebben echter een heel andere ladingsoverdracht dan liggende moleculen”, legt Hofmann uit. “De structurele verandering is moeilijk experimenteel te detecteren, maar de meetresultaten zijn vergelijkbaar met die van de ladingsoverdracht over lange afstanden. Het onderzoek weerlegt dus de hypothese van de overdracht van ladingen over lange afstand. In de toekomst kunnen deze nieuwe bevindingen direct worden gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe materialen die de efficiëntie van elektronische componenten moeten verbeteren.
Gebruik van machinaal leren brengt inzicht
Het gebruik van de gecombineerde machine-leermethoden SAMPLE en BOSS helpt om toekomstige experimenten in de materiaalontwikkeling zodanig te ondersteunen dat dergelijke misinterpretaties niet meer voorkomen. Door dieper in te gaan op de fysieke processen helpen de nieuwe methoden te voorkomen dat er materialen worden ontworpen die een effect nastreven dat in deze vorm niet bestaat. Hofmann onderstreept het voordeel van de nieuwe methode: “Dankzij de twee methoden kunnen in de toekomst miljoenen verschillende structuren worden gesimuleerd.
De onderzoekers van de TU Graz publiceerden onlangs details van de studie in Advanced Science.
