Загадка зеленых вспышек: новое явление в полимерной электронике

Иногда даже серьезные эксперименты в лаборатории приносят удивительные визуальные открытия. Ученые из Канады наблюдали загадочные зеленые вспышки, напоминающие северные сияния, что стало началом целой серии интересных выводов о поведении полимерных материалов.

Появление зеленых мигающих изогнутых огней над полимерным pn-переходом. Темная область — это сам полимер, где нижняя часть подключена к отрицательному электроду, а верхняя — к положительному. Кривая оранжевая линия — это древообразное повреждение внутри полимера. Зеленые изогнутые вспышки — новое открытие, они появляются из-за того, что электроны сталкиваются с газом, выделяющимся при разрушении полимерной поверхности.

Источник: Physical Review Letters

Работа вышла в журнале Physical Review Letters. Команда исследователей из Канады во главе с профессором Цзюнем Гао из Университета Куинс зафиксировала неожиданное явление во время изучения полимерных светоизлучающих электрохимических ячеек, сокращенно PLEC. Эти органические полупроводники используют для создания светящихся устройств, где одна сторона материала накапливает избыток электронов, а другая — так называемые дырки, отсутствующие электроны.

Во время эксперимента ученые специально усиливали так называемое электрическое древовидное повреждение, процесс, при котором внутри полимера образуются разветвленные трещины. Для этого они охлаждали образцы до минус 73 градусов Цельсия и подавали напряжение до 1000 вольт в обратной полярности. Ожидалось, что такие условия вызовут оранжево-красное свечение на поврежденных участках, что и было подтверждено спектральными измерениями.

Но эксперимент принес сюрприз: над одним из электродов вспыхнули загадочные зеленые дуги света. Они были слегка изогнуты и распространялись далеко за пределы самих электродов, что исключало полимер в роли источника свечения. Более того, расположение и форма вспышек навели ученых на мысль о влиянии магнитного поля на движение частиц.

Зеленые вспышки над полимером напоминают северное сияние, но происходят из-за взаимодействия электронов с газами, выделяющимися при разрушении материала.

Источник: X/Twitter

Чтобы проверить эту догадку, исследователи подвели к установке небольшой магнит и увидели, как вспышки начали искривляться сильнее. Измерив радиус кривизны дуг, они вычислили отношение заряда к массе частиц, известное как e/m, и подтвердили, что это свободные электроны.

Дальнейший анализ показал, что электроны выбрасываются в пространство с острых концов древовидных повреждений через процесс, называемый полевой эмиссией. Они сталкиваются с парами, образованными разрушением полимерного материала, возбуждая их и вызывая характерное зеленое свечение.

Этот результат стал первым зафиксированным случаем, когда допированный полимер проявил свойства эффективного эмиттера свободных электронов при сравнительно низких температурах. Исследователи считают, что в будущем подобные полимеры смогут найти применение в разработке дисплеев на основе полевой эмиссии.

Кроме того, метод наблюдения и измерения траектории электронов в магнитном поле открыл новые перспективы в изучении разложения полимерных пленок, позволив определять состав разрушенных материалов по спектру их свечения. По словам ученых, такие опыты могут стать отличным наглядным пособием для обучения студентов основам физики — от полупроводников до взаимодействия заряженных частиц с магнитными полями.

Управление излучением открывает перед учеными огромные перспективы, от создания суперлазеров до изучения новых физических явлений. О проблемах и возможностях этой области недавно рассказал эксперт МИФИ в нашем специальном материале.