Dari layar TV OLED baru hingga panel surya, banyak perangkat elektronik sehari-hari tidak akan berfungsi tanpa interaksi antara cahaya dan bahan yang membentuk semikonduktor. Sebuah kategori baru dari semikonduktor didasarkan pada molekul organik, yang sebagian besar terdiri dari karbon, seperti buckminsterfullerene.
Cara kerja semikonduktor organik sebagian besar ditentukan oleh perilakunya dalam beberapa saat pertama setelah cahaya mengeksitasi elektron—naiknya energi elektron sehingga lebih tinggi dari keadaan dasarnya—membentuk eksiton—pasangan lubang elektron yang terbentuk ketika cahaya berinteraksi dengan jenis materi tertentu—dalam bahan tersebut.
Ketika cahaya mengenai sebuah bahan, beberapa elektron menyerap energi dan membuat elektron tersebut dalam keadaan tereksitasi. Dalam semikonduktor organik, seperti yang digunakan dalam OLED, interaksi antara elektron yang tereksitasi dan “lubang” yang tersisa sangat kuat, sehingga elektron dan lubang tidak dapat lagi digambarkan sebagai partikel individual.
Sebaliknya, elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif bergabung untuk membentuk pasangan, yang dikenal sebagai eksiton. Memahami sifat mekanika kuantum dari eksiton ini dalam semikonduktor organik telah lama dianggap sebagai tantangan besar—baik dari segi teoritis maupun eksperimental.
Para peneliti dari Göttingen University, dan timnya untuk pertama kalinya membuat gambar sangat cepat dan sangat presisi dari eksiton ini—bahkan, akurat hingga satu kuadriliun detik (0,000,000,000,000,001 detik) dan satu miliar meter (0,000,000,001 meter). Pemahaman ini penting untuk mengembangkan bahan yang lebih efisien dengan semikonduktor organik. Hasilnya dipublikasikan dalam Nature Communications.
Dengan menggunakan mikroskop elektron pemancar foto, tim dapat mengenali bahwa gaya tarik dalam eksiton secara signifikan mengubah distribusi energi dan kecepatannya. Tim mengukur perubahan dengan resolusi yang sangat tinggi baik dalam waktu maupun ruang, dan membandingkannya dengan prediksi teori mekanika kuantum. Tim menyebut teknik baru ini sebagai tomografi eksiton pemancar foto. Teori di baliknya dikembangkan oleh tim yang dipimpin oleh Profesor Peter Puschnig di University of Graz.
Teknik baru ini memungkinkan ilmuwan, untuk pertama kalinya, untuk mengukur dan memvisualisasikan fungsi gelombang mekanika kuantum dari eksiton. Secara sederhana, fungsi gelombang menggambarkan keadaan sebuah eksiton dan menentukan probabilitasnya untuk hadir.
Semikonduktor organik yang tim teliti adalah buckminsterfullerene yang terdiri dari susunan bola 60 atom karbon. Pertanyaannya adalah apakah eksiton akan selalu berada pada satu molekul atau apakah dapat didistribusikan di beberapa molekul secara bersamaan. Sifat ini dapat memiliki pengaruh besar pada efisiensi semikonduktor dalam sel surya.
Tomografi eksiton pemancar foto memberikan jawabannya: segera setelah eksiton dihasilkan oleh cahaya, ia didistribusikan ke dua atau lebih molekul. Namun, dalam beberapa femtosekon, artinya dalam sebagian kecil dari detik, eksiton menyusut kembali menjadi satu molekul.
Di masa depan, para peneliti ingin merekam perilaku eksiton menggunakan metode baru ini. Penelitian ini memiliki potensi, misalnya, kita ingin melihat bagaimana gerakan relatif molekul mempengaruhi dinamika eksiton dalam sebuah bahan. Penelitian ini akan membantu kami memahami proses konversi energi dalam semikonduktor organik. Dan kami berharap pengetahuan ini akan berkontribusi pada pengembangan bahan yang lebih efisien untuk sel surya.
Referensi:
[1] https://www.uni-goettingen.de/en/3240.html?id=7402 diakses pada 30 Maret 2024
[2] Wiebke Bennecke, Andreas Windischbacher, David Schmitt, Jan Philipp Bange, Ralf Hemm, Christian S. Kern, Gabriele D’Avino, Xavier Blase, Daniel Steil, Sabine Steil, Martin Aeschlimann, Benjamin Stadtmüller, Marcel Reutzel, Peter Puschnig, G. S. Matthijs Jansen, Stefan Mathias. Disentangling the multiorbital contributions of excitons by photoemission exciton tomography. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-45973-x
