Ajustar la brecha de energía mediante la combinación de diferentes moléculas semiconductoras para optimizar el rendimiento del dispositivo ya es un procedimiento establecido para semiconductores inorgánicos. pero sigue siendo un desafío para sus homólogos orgánicos. Ahora, científicos de TU Dresden, en cooperación con investigadores de TU Munich, así como la Universidad de Würzburg, HU Berlín, y la Universidad de Ulm han demostrado cómo alcanzar este objetivo.

Los semiconductores orgánicos se han ganado una reputación como materiales energéticamente eficientes en diodos emisores de luz orgánicos (OLED) que se emplean en pantallas de gran superficie. En estas y otras aplicaciones, como las células solares, un parámetro clave es la brecha de energía entre los estados electrónicos. Determina la longitud de onda de la luz que se emite o absorbe. Es deseable la capacidad de ajuste continua de esta brecha de energía. En efecto, para los materiales inorgánicos ya existe un método apropiado:el llamado mezclado. Se basa en la ingeniería de la banda prohibida mediante la sustitución de átomos en el material. Esto permite una sintonización continua como, por ejemplo, en semiconductores de arseniuro de galio y aluminio. Desafortunadamente, esto no es transferible a los semiconductores orgánicos debido a sus diferentes características físicas y su paradigma de construcción basado en moléculas, haciendo mucho más difícil la sintonización continua de banda prohibida.

Sin embargo, con su última publicación científicos en el Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) y en el Cluster of Excellence "e-conversion" en TU Munich junto con socios de la Universidad de Würzburg, HU Berlín, y la Universidad de Ulm tienen, por primera vez, realizó ingeniería de brecha de energía para semiconductores orgánicos mediante mezcla.

Para semiconductores inorgánicos, los niveles de energía pueden desplazarse entre sí mediante sustituciones atómicas, reduciendo así la banda prohibida ("ingeniería de banda prohibida"). A diferencia de, Las modificaciones de la estructura de la banda mediante la mezcla de materiales orgánicos solo pueden cambiar los niveles de energía de manera concertada hacia arriba o hacia abajo. Esto se debe a los fuertes efectos de Coulomb que pueden explotarse en materiales orgánicos, pero esto no tiene ningún efecto sobre la brecha. "Sería muy interesante cambiar también la brecha de materiales orgánicos mediante la mezcla, para evitar la síntesis prolongada de nuevas moléculas ", dice el profesor Karl Leo de TU Dresden.

Los investigadores encontraron una forma poco convencional de mezclar el material con mezclas de moléculas similares de diferente tamaño. "El hallazgo clave es que todas las moléculas se organizan en patrones específicos permitidos por su forma y tamaño molecular", explica Frank Ortmann, profesor en TU Munich y líder de grupo en el Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresde). "Esto induce el cambio deseado en la constante dieléctrica del material y en la energía de la brecha".

El grupo de Ortmann pudo aclarar el mecanismo simulando las estructuras de las películas mezcladas y sus propiedades electrónicas y dieléctricas. Un cambio correspondiente en el empaquetamiento molecular dependiendo de la forma de las moléculas mezcladas se confirmó mediante mediciones de dispersión de rayos X, realizado por el Grupo de Dispositivos Orgánicos del Prof. Stefan Mannsfeld en cfaed. Katrin Ortstein y sus colegas del grupo del profesor Karl Leo realizaron el trabajo principal experimental y del dispositivo. TU Dresde.

Los resultados de este estudio se acaban de publicar en la reconocida revista Materiales de la naturaleza . Si bien esto demuestra la viabilidad de este tipo de estrategia de ingeniería a nivel de energía, su empleo se explorará para dispositivos optoelectrónicos en el futuro.