تیمی شامل پژوهشگران دانشگاه های تربیت مدرس، تهران و کیل آلمان در تحقیقات خود، سازوکاری تازه برای انتقال انرژی در ساختارهای دوبعدی کشف کرده اند که در آن انرژی برانگیختگی میتواند در یک ساختار هیبریدی از جنس نیترید بور ششگوشه و پروسکایت دوبعدی، تا حدود ۱۵۰ میکرومتر منتقل شود؛ یافتهای که میتواند برای توسعه فناوریهای فوتونیکی، برداشت انرژی و ادوات اپتوالکترونیکی نسل آینده اهمیت داشته باشد.
به گزارش دیدهبان علم ایران، یافته های پژوهش سارا درباری، دانشیار و پارسا درمان، پژوهشگر دانشگاه تربیت مدرس، یاسر عبدی، استاد فیزیک دانشگاه تهران و همکاران آنها در دانشگاه Kiel آلمان طی مقاله ای با عنوان «Exciton Energy Routing via Defect Networks in hBN/2D Perovskite Hybrids» در مجله معتبر ACS Nano متعلق به انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است. ناهید طالبی، استاد فیزیک دانشگاه کیل و دیگر پژوهشگر ایرانی حاضر در این پروژه، نویسنده مسئول مقاله است.
مسعود طالب و پارسا درمان از دیگر پژوهشگران ایرانی دانشگاه کیل هستند که در این تحقیقات همکاری داشته اند.
درباری، نویسنده اول مقاله، عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه تربیت مدرس است و در زمینه فوتونیک، نانوفوتونیک، پلاسمونیک و ساختارهای پروسکایتی دوبعدی فعالیت میکند. او پس از دریافت بورسیه پژوهشی الکساندر فون هومبولت در سال ۲۰۲۴، بخشی از فعالیتهای پژوهشی خود را در دانشگاه کیل آلمان دنبال کرده است.
ناهید طالبی نیز استاد فیزیک و سرپرست گروه نانواپتیک در مؤسسه فیزیک تجربی و کاربردی دانشگاه کیل است. وی دکتری خود را از دانشگاه تهران دریافت کرده و فعالیتهای پژوهشیاش بر برهمکنشهای الکترون، نور و ماده و مطالعه مواد دوبعدی و ساختارهای هیبریدی متمرکز است.
نقصهایی که به مسیر انتقال انرژی تبدیل شدند
اکسیتونها را میتوان بهطور ساده، زوجهای بههمپیوستهای از یک الکترون و یک حفره دانست که پس از برانگیختگی ماده شکل میگیرند. کنترل حرکت و انتقال انرژی این شبهذرات یکی از موضوعات مهم در توسعه نسل جدید فناوریهای نوری و الکترونیکی است.
گروه پژوهشی در این مطالعه از یک ساختار هیبریدی متشکل از نیترید بور ششگوش (hBN) و پروسکایتهای دوبعدی رادلسدن–پاپر (Ruddlesden–Popper) استفاده کرده است.
ویژگی کلیدی hBN وجود تعداد زیادی نقص و مراکز نشر نوری در ساختار آن است. پژوهشگران نشان دادهاند که اکسیتونهای ایجادشده در لایه پروسکایت میتوانند با این مراکز نقص برهمکنش کنند و انرژی خود را به آنها منتقل کنند. سپس انرژی میان نقصهای مجاور در لایه hBN منتقل میشود و در نتیجه، یک شبکه برای جابهجایی انرژی شکل میگیرد.
انتقال انرژی در فاصلهای بسیار فراتر از مقیاسهای معمول
یکی از مهمترین یافتههای این مطالعه، مشاهده انتقال انرژی اکسیتونی در فاصلهای حدود ۱۵۰ میکرومتر در ساختار هیبریدی hBN/پروسکایت است.
اندازهگیریها با استفاده از طیفسنجی کاتدولومینسانس انجام شده است. پژوهشگران با جابهجایی فیبر جمعآوریکننده نور نسبت به محل برخورد پرتو الکترونی توانستند کاهش شدت نشر را در فاصلههای مختلف بررسی کنند.
براساس برازش دادهها، طول انتقال مؤثر انرژی در یکی از ساختارهای مورد بررسی حدود ۱۴۲.۳ میکرومتر به دست آمد و آزمایشها انتقال انرژی تا حدود ۱۵۰ میکرومتر را نشان دادند.
این انتقال از طریق یک موجبر نوری یا انتشار منسجم اکسیتونها در ساختار انجام نمیشود. شواهد تجربی و نقشههای انرژی–تکانه نشان دادند که سازوکار مشاهدهشده با رفتارهای موجبرهای معمول و انتقال منسجم سازگار نیست. پژوهشگران در عوض، برهمکنش میان نقصها، انتقال دوقطبی–دوقطبی و بازچرخهسازی فوتونی را از عوامل اصلی این انتقال طولانیبرد میدانند.
روشنایی بیشتر و پایداری بالاتر
ساختار هیبریدی تنها امکان انتقال انرژی در فاصله طولانیتر را فراهم نکرده است. آزمایشها نشان دادند که ترکیب hBN و پروسکایت موجب افزایش شدت لومینسانس، باریکتر شدن پهنای خطوط نشر، افزایش زمان عمر برانگیختگی و کاهش تخریب پروسکایت در اثر پرتو الکترونی میشود.
این ویژگی از آن جهت اهمیت دارد که پروسکایتهای دوبعدی، با وجود خواص نوری جذاب، در برابر برخی عوامل محیطی و تابش پرتو الکترونی آسیبپذیرند. لایه hBN میتواند ضمن ایجاد مراکز انتقال انرژی، نقش محافظتی نیز ایفا کند.
پژوهشگران همچنین نشان دادند که با تغییر ضخامت مؤثر پروسکایت دوبعدی، انرژی اکسیتون و در نتیجه انرژی برهمکنش آن با نقصهای hBN نیز قابل تغییر است؛ موضوعی که میتواند امکان مهندسی مسیر انتقال انرژی در این ساختارها را فراهم کند.
از نانوفوتونیک تا ادوات آینده
یافتههای این پژوهش هنوز به معنای ساخت یک «مدار اکسیتونی» عملیاتی نیست، اما میتواند یک مسیر جدید برای هدایت و توزیع انرژی در مقیاس میکرومتری در اختیار پژوهشگران قرار دهد.
نویسندگان مقاله، ساختارهای hBN/پروسکایت را بهعنوان بستری بالقوه برای کاربردهایی همچون ادوات اکسیتونی در دمای اتاق، مبدلهای کوانتومی، سامانههای برداشت نور و اتصالات اپتوالکترونیکی در مقیاس نانو و میکرو مطرح کردهاند.
اهمیت اصلی این دستاورد در آن است که پژوهشگران بهجای اتکا به یک مسیر نوری منظم، از شبکهای از نقصهای نوری در یک ماده دوبعدی برای انتقال انرژی بهره گرفتهاند؛ رویکردی که میتواند نگاه تازهای به طراحی مواد و معماریهای آینده برای مدیریت انرژی نوری در مقیاس بسیار کوچک ایجاد کند.
انتهای پیام
* نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخشهای موردنیاز علامتگذاری شدهاند