Optica |?类似光合作用的新型光电探测器

论文导读

      在许多植物中发现的光合复合物由一个大的光吸收区域组成，该区域将分子激发态能量传递到反应中心，在那里能量转化为电荷。虽然这种设置非常有效，但模仿它需要在有机材料中实现远距离的能量传输，这已被证明很难实现。为了实现这个看似不可能的任务，来自密歇根大学的研究人员使用了称为极化子的独特准粒子，极化子将分子激发态与光子相结合，使其具有类似光和类物质的性质，允许长距离能量传输和转换。该工作“Photocurrent generation following long range propagation of organic exciton-polaritons”发表在Optica上。该工作以植物用来将阳光转化为能量的光合复合物为灵感开发出一种新型的高效光电探测器。

研究背景

      光合作用始于对太阳光子的吸收，太阳光子产生排列在扩展天线复合物（AC）中的分子发色团的电子激发态（激子），随后将能量转移到反应中心（RC），该反应中心将激子分离成电子和空穴。这些自由电荷随后完成了太阳能到化学能的转换，然而，在模仿使用有机材料的自然光合作用的人工AC/RC系统中，材料无序可以在几个分子跳跃后很容易地终止运输，因此，器件效率受到限制。为了克服这一挑战，通过使用分子结构的精确定制和有序组件的生长来减少无序。不幸的是，这导致激子传输距离对于实际设备应用仍然不足。所以改善长程能量传输的一个有希望的方法是将分子激子与光子结构中的光子强耦合，形成新的量子力学准粒子，称为激子-极化子。与采用平面微腔的传统极化结构相比，由截断的全介电光子结构支撑的非耗散布洛赫表面波（BSWs）可以强耦合有机激子和光子，即使在无定形有机薄膜中也能以数百微米的高群速度传播能量。由于从其光子成分继承的小有效质量和离域，BSW极化子潜在地免疫于分子固体中与局部缺陷和紊乱的相互作用，这可能会实现高效，高速，长程的能量传输，不同于慢速和短程激子扩散。因此，极化子提出了一种模仿天然AC的途径，而不需要精确定位发色团来支持几乎无损耗的能量传输。

技术突破

      本文提出了利用极化子来模仿自然界光合结构的光电探测器。极化子是通过光学激发形成的，光学激发将布洛赫表面波（BSW）强耦合到DBP激子。极化子在 DBP 内传输，直到遇到供体-受体（DBP/C₇₀）双层异质结反应中心（HJ RC），在那里转换为激子，然后是CT状态，从而导致自由电荷产生。最后一步是解离成电子和空穴，这些电子和空穴传导到各自的电极。器件是将40nm厚的DBP薄膜沉积在分布式布拉格反射器（DBR）上，这用作聚光天线，其边缘耦合成双层D-A（DBP/C₇₀)HJ RC。RC通过解离到电子和空穴中来收集激发能量，这些电子和空穴被收集在Au阳极和Ag阴极。反应中心包括MoO₃/DBP（20nm）/C₇₀（30 nm）/TPBi/Ag。

观点评述

      本工作研究了一种基于极化子的模拟光合作用的新型高效光电探测器，极化子结合了分子激发态和光子，赋予了它类光和类物质的特性，允许远程能量传输和转换。这种光电探测器是基于极化子的实用光电器件的首批演示之一。大多数极化子已被观察到是封闭腔体中的静止准粒子，这项新工作揭示了极化子如何用在开放结构中传播的重要见解。太阳能电池使用类似于光电探测器的设备将太阳光转化为能量，有可能大大提高太阳能电池的发电效率。

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