La impresión de un artista de un grupo de moléculas de agua que actúan como una trampa de agujeros. Crédito:D. Andrienko, MPI-P.
Semiconductores orgánicos, una clase de materiales a base de carbono con propiedades ópticas y electrónicas, ahora se utilizan comúnmente para fabricar una variedad de dispositivos, incluidas las células solares, diodos emisores de luz y transistores de efecto de campo. Estos materiales semiconductores pueden exhibir una característica conocida como transporte de carga altamente unipolar, lo que esencialmente significa que conducen predominantemente electrones o huecos. Esto puede resultar algo problemático, ya que obstaculiza su eficiencia y rendimiento.
Investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros han identificado recientemente una ventana de energía dentro de la cual los semiconductores orgánicos no experimentan atrapamiento de carga. Como se explica en su artículo, publicado en Materiales de la naturaleza , esta ventana permite el transporte de carga sin trampas de ambos transportistas.
"En 2012, investigamos la captura de electrones en polímeros conjugados y descubrimos que reducir los niveles de energía a los que tiene lugar el transporte de electrones (es decir, LUMO) podría reducir la cantidad de captura de electrones, "Gert-Jan Wetzelaer, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "El año pasado, Desarrollamos una estrategia para mejorar los electrodos en dispositivos semiconductores orgánicos, lo que nos permitió investigar semiconductores orgánicos con un rango muy amplio de niveles de energía. En nuestro nuevo estudio, estábamos interesados en cómo la posición de estos niveles de energía influiría en el transporte tanto de electrones como de huecos, incluso para niveles de energía muy profundos, que antes no se podía explorar ".
Para investigar cómo la posición de los niveles de energía puede influir en la capacidad de un semiconductor para transportar tanto electrones como huecos, Wetzelaer y sus colegas midieron las corrientes de electrones y huecos en una variedad de semiconductores orgánicos. En su trabajo anterior, observaron que el grado en que esta corriente depende del voltaje aplicado a través de una película semiconductora puede usarse como una medida de la cantidad de atrapamiento de carga.
Cuando los investigadores midieron la corriente que pasa a través de una amplia gama de semiconductores orgánicos con diferentes niveles de energía, encontraron que los niveles de energía de los materiales individuales influían en si la corriente estaba limitada por la captura de carga o no. Después de realizar una serie de experimentos y recopilar numerosas observaciones, pudieron identificar una ventana en la que los semiconductores orgánicos pueden lograr un transporte de carga sin trampas.
Más específicamente, observaron que cuando la energía de ionización de un material se eleva por encima de 6 eV, se produce el atrapamiento de agujeros y, por lo tanto, ya no podrá realizar agujeros de manera eficiente. Por otra parte, cuando la afinidad electrónica de un material es inferior a 3,6 eV, no podrá transportar electrones de manera eficiente. Para conducir con eficacia tanto electrones como huecos, por lo tanto, Los niveles de energía de ionización y afinidad electrónica de un material deben estar dentro de esta ventana específica.
Fotografía del OLED sin trampas Crédito:MPI-P.
"Nuestros resultados implican que para un rendimiento óptimo, los niveles de energía de los semiconductores orgánicos utilizados en los dispositivos, como OLED y células solares orgánicas, debe estar idealmente situado dentro de la ventana de energía descubierta, ", Dijo Wetzelaer." Dentro de esta ventana de energía, la conducción de los portadores de carga será eficiente, que es importante para convertir la electricidad en luz y viceversa ".
El estudio realizado por Wetzelear y sus colegas introduce una regla de diseño general para semiconductores orgánicos que se pueden utilizar para la fabricación de OLED. células solares y transistores de efecto de campo. Esta 'regla general' especifica los niveles de energía deseables para lograr una mayor eficiencia y conductividad en los dispositivos construidos con estos materiales.
"Recientemente hemos logrado crear un OLED altamente eficiente basado en estas reglas de diseño, con una arquitectura de dispositivo mucho menos compleja que la que se utiliza normalmente, "Añadió Wetzelaer.
Wetzelaer y sus colegas llevaron a cabo una serie de simulaciones y obtuvieron más resultados interesantes, lo que sugiere que los grupos de agua podrían ser la fuente de atrapamiento de agujeros. Esta observación clave podría ayudar a diseñar estrategias para eliminar las trampas de carga de las películas semiconductoras.
En el futuro, la ventana de energía identificada por este equipo de investigadores podría informar el desarrollo de dispositivos basados en semiconductores más eficientes. Además, sus observaciones plantean cuestiones interesantes relacionadas con el diseño de OLED azules.
"En OLED azules, la brecha de energía requerida para la emisión de luz azul es de aproximadamente 3,0 eV, que es más grande que la ventana sin trampas, ", Dijo Wetzelaer." Ahora estamos planeando investigar estrategias para eliminar o deshabilitar las trampas de carga en semiconductores orgánicos, para poder fabricar OLED azules altamente eficientes ".
© 2019 Science X Network
