从屋顶上的太阳能电池板到新型OLED电视屏幕，如果没有光和构成半导体的材料之间的相互作用，许多日常电子设备根本无法工作。一类新的半导体基于有机分子，主要由碳组成，例如巴克明斯特富勒烯。

有机半导体的工作方式很大程度上取决于光激发电子并在材料中形成“激子”后最初几分钟的行为。

来自哥廷根大学、格拉茨大学、凯撒斯劳滕-朗道大学和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员现在首次对这些激子进行了非常快速且非常精确的图像——事实上，精确到万亿分之一秒和十亿分之一秒。仪表。这种理解对于开发更高效的有机半导体材料至关重要。研究结果发表在《自然通讯》上。

当光照射到材料时，一些电子吸收能量，这使它们进入激发态。在有机半导体中，例如OLED中使用的半导体，这种激发的电子和剩余的“空穴”之间的相互作用非常强，电子和空穴不能再被描述为单独的粒子。相反，带负电的电子和带正电的空穴结合形成对，称为激子。

从理论和实验的角度来看，理解有机半导体中这些激子的量子力学性质长期以来一直被认为是一个重大挑战。

新方法揭示了这个难题。哥廷根大学物理学家、该研究的第一作者WiebkeBennecke解释说：“使用我们的光电发射电子显微镜，我们可以认识到激子内的吸引力显着改变了它们的能量和速度分布。我们用极端的方法测量了这些变化。时间和空间上的高分辨率，并将它们与量子力学的理论预测进行比较。”

研究人员将这种新技术称为光发射激子断层扫描。其背后的理论是由格拉茨大学彼得·普施尼格教授领导的团队开发的。

这项新技术使科学家首次能够测量和可视化激子的量子力学波函数。简而言之，波函数描述了激子的状态并决定了其存在的概率。

哥廷根大学的MatthijsJansen博士解释了这一发现的重要性：“我们研究的有机半导体是巴克敏斯特富勒烯，它由60个碳原子的球形排列组成。问题是激子是否总是位于单个分子上或者它是否可以同时分布在多个分子中。这种特性对太阳能电池中半导体的效率有重大影响。”

光电发射激子断层扫描提供了答案：激子在光产生后立即分布在两个或多个分子上。然而，在几飞秒内，即不到一秒的时间，激子就会收缩回单个分子。

未来，研究人员希望使用新方法记录激子的行为。哥廷根大学StefanMathias教授表示，这具有潜力，“例如，我们希望了解分子的相对运动如何影响材料中激子的动力学。这些研究将帮助我们了解有机半导体中的能量转换过程。并且我们希望这些知识将有助于开发更高效的太阳能电池材料。”

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