Нулевые органическо-неорганические металлогалогениды (0D-OIMH) — это новый класс материалов, который привлекает внимание ученых, работающих в оптоэлектронике. Их главные козыри — высокая эффективность фотолюминесценции и необычные свойства, открывающие простор для экспериментов.

Фотолюминесценция — свечение материала при облучении светом. Электроны поглощают энергию, переходят в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в исходное, испускают фотоны.

Обычно такие материалы состоят из крупных органических катионов и неорганических анионов. Меняя их состав, можно получать полупроводники с разными характеристиками. Они сочетают преимущества органики и неорганики, а еще их легко синтезировать при низких температурах — дешево и без сложного оборудования.

Но самое интересное — их свечение. Из-за нульмерной структуры электронов здесь возможны разные физические механизмы излучения, и единой теории пока нет. Например, в таких материалах часто наблюдают двойной пик люминесценции. Раньше считалось, что высокоэнергетический пик — это излучение синглетного (яркого) состояния, а низкоэнергетический — триплетного (темного). Но эта гипотеза просто перенесена из органических полупроводников без серьезных доказательств.

Недавно группа профессора Цзяньпу Вана из Нанкинского технологического университета изучила типичный 0D-OIMH — (Bmpip)2SnBr4. Используя магнитооптические измерения при низких температурах, они выяснили реальную конфигурацию спинов в возбужденных состояниях.

Результаты опубликованы в издании National Science Review.

Оказалось, что при охлаждении свечение (Bmpip)2SnBr4 резко ослабевает — вероятно, из-за перехода в темное состояние. Чтобы проверить это, ученые применили магнитное поле. Оно «вмешалось» в систему, и темное состояние неожиданно стало ярче — из-за смешивания с ярким состоянием. Дополнительные замеры подтвердили: низкоэнергетический пик — это не чистый триплет, а комбинация темного и яркого состояний, причем темное состояние оказалось синглетом.

Это открытие опровергает прежние представления и дает новое понимание работы 0D-OIMH. Теперь можно точнее настраивать их свойства для светодиодов, спиновой оптоэлектроники и квантовых технологий.

Польза исследования

• Светодиоды нового поколения — если правильно управлять темными и яркими состояниями, можно создать более эффективные LED с минимумом потерь энергии.
• Спинтроника — понимание спиновой конфигурации открывает путь к устройствам, где информация передается не только зарядом, но и спином электронов.
• Квантовые технологии — такие материалы могут стать основой для кубитов или сенсоров с высокой чувствительностью.

Исследование проводилось на одном конкретном материале — (Bmpip)2SnBr4. Хотя выводы логичны, их нельзя автоматически переносить на все 0D-OIMH. Нужны эксперименты с другими соединениями, чтобы подтвердить универсальность механизма.

Ранее ученые разработали новый подход к созданию квантовых излучателей.