Физики обнаружили необычное явление во время исследования p-n-перехода в полимере: при температуре 200 кельвин и токе смещения −1 миллиампер над образцом неожиданно появилось зеленоватое свечение, похожее на северное сияние. Ученые провели дополнительные эксперименты и предположили, что из-за высокого напряжения материал испустил свободные электроны, которые, в свою очередь, столкнулись с испарившимися из вещества олигомерами и заставили их светиться в зеленом диапазоне спектра. Своими наблюдениями исследователи поделились в Physical Review Letters.
Полимеры давно привлекают внимание ученых в качестве источников света: если к тонкой пленке полимера приложить напряжение или ток смещения, то на границах раздела электродов произойдет инжекция заряда. Благодаря окислительно-восстановительным реакциям, со стороны анода материал станет p-легированным, а со стороны катода — n-легированным. Два легированных фронта движутся навстречу друг другу и в месте соприкосновения образуют p-n-переход, в области которого начинается электролюминесценция из-за рекомбинации электронов и дырок. Физики даже создали лазер на основе органического диода, используя механизм электролюминесценции в полимерах.
Ван Дуньцзе (Dongze Wang) и Гао Цзюнь (Jun Gao) из Королевского университета в Кингстоне изготовили полимерную светоизлучающую электрохимическую ячейку (PLEC) на основе люминесцирующего сопряженного полимера MEH-PPV (растворимое производное полифениленвинилена, которое часто используют в качестве источника излучения в полимерных светодиодах) и твердого полимерного электролита. Во время эксперимента исследователи сначала наблюдали только красноватое свечение, характерное для этого образца (при токе смещения около 0,10-0,66 миллиампер в диапазоне температур 200-335 кельвин), но затем, когда ток смещения сделали равным −1 миллиампер, над областью p-n-перехода появились вспышки зеленоватого света.
Физики отметили несколько особенностей этого явления: во-первых, вспышки были случайными и очень короткими (зачастую меньше секунды), во-вторых, они всегда появлялись над n-легированной стороне p-n-перехода, и в-третьих, имели наибольшую интенсивность тогда, когда удалялись от области перехода — исходя из этих фактов, ученые предположили, что причиной необычного свечения могут быть заряженные частицы. Физики решили проверить свою гипотезу с помощью небольшого постоянного магнита, расположенного над ячейкой: в результате сила Лоренца, созданная магнитным полем, искривила траекторию зеленых вспышек в правую сторону, что стало свидетельством отрицательного заряда обнаруженных частиц.
Затем исследователи измерили отношение заряда к массе для частиц, образующих зеленые вспышки, и получили (2,21 ± 0,23) × 1011 кулон на килограмм, что оказалось всего на 26 процентов больше, чем известное значение для электрона. При этом если бы это были не электроны, то отношение заряда к массе было бы на несколько порядков меньше (например, для протона оно составляет примерно 9,58 × 107 кулон на килограмм). Помимо этого, физики также получили несколько спектров зеленого излучения с пиками на длинах волн 501,6 и 537,3 нанометров, которые не совпали с линией эмиссии MEH-PPV. После эксперимента авторы работы заметили, что n-легированная область была слегка беловатой — при рассмотрении образца с помощью сканирующего электронного микроскопа ученые увидели, что от границы p-n-перехода вглубь n-легированной области проросли древовидные структуры из пустот различного размера — явление, похожее на фигуры Лихтенберга.
Авторы работы предположили, что потеря материала в полимерной пленке, а также неопознанные эмиссионные линии в спектре, стали следствием испарения олигомеров во время эксперимента. Хотя сам MEH-PPV излучает в красном диапазоне, небольшие куски его молекул могут демонстрировать эмиссию со смещением в синюю сторону. Но поскольку на сегодняшний день ученые исследовали излучение лишь очень коротких олигомеров в фиолетовой области, однозначно идентифицировать продукты распада в новом эксперименте физики пока не смогли.
Это далеко не первый случай, когда во время экспериментов физики обнаруживают неожиданные свойства веществ: например, о том, как материаловеды случайно превратили древесину липы в суперчерный материал, мы писали ранее.
