Ilustración del proceso de fisión singlete utilizado para aumentar la cantidad de excitones en un OLED y romper el límite del 100 por ciento para la eficiencia de producción de excitones. La capa emisora consiste en una mezcla de moléculas de rubreno, que son responsables de la fisión singlete, y ErQ 3 moléculas, que producen la emisión. Un excitón singlete que se crea cuando una carga positiva y una carga negativa se combinan en una molécula de rubreno, puede transferir la mitad de su energía a una segunda molécula de rubrena a través del proceso de fisión singlete, resultando en dos excitones tripletes. Los excitones del triplete luego se transfieren a ErQ 3 moléculas, y la energía del excitón se libera como emisión de infrarrojo cercano por ErQ 3 . Crédito:William J. Potscavage Jr.
Investigadores del Centro de Investigación Electrónica y Fotónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu en Japón han demostrado una forma de dividir la energía en diodos emisores de luz orgánicos (OLED) y superar el límite del 100 por ciento para la producción de excitones. abriendo una nueva ruta prometedora para la creación de fuentes de luz infrarroja cercana de alta intensidad y bajo costo para aplicaciones de detección y comunicaciones.
Los OLED utilizan capas de moléculas orgánicas que contienen carbono para convertir las cargas eléctricas en luz. En OLED normales, una carga positiva y una carga negativa se unen en una molécula para formar un paquete de energía llamado excitón. Un excitón puede liberar su energía para crear como máximo un fotón.
Cuando todas las cargas forman excitones que emiten luz, Se logra una eficiencia cuántica interna máxima del 100 por ciento. Sin embargo, la nueva tecnología utiliza un proceso llamado fisión singlete para dividir la energía de un excitón en dos, haciendo posible exceder el límite del 100 por ciento para la eficiencia de convertir pares de carga en excitones, también conocida como eficiencia de producción de excitones
"En pocas palabras, incorporamos moléculas que actúan como máquinas de cambio de excitones en los OLED. Similar a una máquina de cambio que convierte un billete de $ 10 en dos billetes de $ 5, las moléculas convierten un caro, excitón de alta energía en dos a mitad de precio, excitones de baja energía, "explica Hajime Nakanotani, profesor asociado de la Universidad de Kyushu y coautor del artículo que describe los nuevos resultados.
Los excitones vienen en dos formas, singletes y trillizos, y las moléculas solo pueden recibir singletes o tripletes con ciertas energías. Los investigadores superaron el límite de un excitón por par de cargas mediante el uso de moléculas que pueden aceptar un excitón triplete con una energía que es la mitad de la energía del excitón singlete de la molécula.
En tales moléculas, el singlete puede transferir la mitad de su energía a una molécula vecina mientras conserva la mitad de la energía para sí mismo, resultando en la creación de dos tripletes a partir de un singlete. Este proceso se llama fisión singlete.
Los excitones del triplete se transfieren luego a un segundo tipo de molécula que usa la energía para emitir luz infrarroja cercana. En el presente trabajo, los investigadores pudieron convertir los pares de carga en 100,8 por ciento de tripletes, lo que indica que el 100 por ciento ya no es el límite. Este es el primer informe de un OLED que usa fisión singlete, aunque se ha observado previamente en células solares orgánicas.
Es más, los investigadores pudieron evaluar fácilmente la eficiencia de la fisión singlete, que a menudo es difícil de estimar, basado en la comparación de la emisión del infrarrojo cercano y trazas de emisión visible de los singletes restantes cuando el dispositivo está expuesto a varios campos magnéticos.
"La luz del infrarrojo cercano juega un papel clave en las aplicaciones biológicas y médicas junto con las tecnologías de la comunicación, "dice Chihaya Adachi, director de OPERA. "Ahora que sabemos que la fisión singlete se puede utilizar en un OLED, tenemos un nuevo camino para superar potencialmente el desafío de crear un OLED de infrarrojo cercano eficiente, que encontraría un uso práctico inmediato ".
Hajime Nakanotani (izquierda), Ryo Nagata (centro), y Chihaya Adachi (derecha) del Centro de Investigación en Electrónica y Fotónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu informaron sobre un OLED de infrarrojo cercano que utiliza la fisión singlete para aumentar la fracción de excitones creados por par de cargas eléctricas a más del 100 por ciento. Usando el electromagnético en la foto, los investigadores evaluaron la eficiencia de la fisión singlete basándose en cambios en la emisión OLED con diferentes campos magnéticos aplicados. Crédito:Ko Inada
La eficiencia general sigue siendo relativamente baja en este trabajo inicial porque la emisión en el infrarrojo cercano de emisores orgánicos es tradicionalmente ineficiente. y la eficiencia energética, por supuesto, estar siempre limitado a un máximo del 100 por ciento. Sin embargo, este nuevo método ofrece una forma de aumentar la eficiencia y la intensidad sin cambiar la molécula emisora, y los investigadores también buscan mejorar las propias moléculas emisoras.
Con más mejoras, los investigadores esperan lograr una eficiencia de producción de excitones de hasta un 125 por ciento, cuál sería el próximo límite ya que la operación eléctrica conduce naturalmente a un 25 por ciento de singletes y un 75 por ciento de tripletes. Después, están considerando ideas para convertir trillizos en singletes y posiblemente alcanzar una eficiencia cuántica del 200 por ciento.
