Las pantallas visuales electrónicas han recorrido un largo camino desde los primeros días de los tubos de rayos catódicos. Los dispositivos de visualización modernos, basados ​​en diodos orgánicos emisores de luz (OLED), son lo suficientemente compactos como para acompañarnos dondequiera que vayamos, en dispositivos portátiles como teléfonos inteligentes y relojes inteligentes. Aún así, existe la necesidad de mejoras adicionales en el rendimiento de las pantallas basadas en OLED, especialmente en lo que respecta a la eficiencia energética y la pureza del color, los cuales tienen un impacto directo en el consumo de energía. Recientemente, un equipo de investigadores de los dos institutos de la Academia Polaca de Ciencias (PAS), el Instituto de Química Física PAS y el Instituto de Química Orgánica PAS, y de la Universidad Tecnológica de Silesia propusieron una serie de nuevos compuestos químicos para servir como emisores de OLED, acercándonos un paso más hacia tecnologías robustas y sostenibles en electrónica portátil.

Las pantallas visuales electrónicas son omnipresentes en nuestra vida diaria, en la medida en que habría sido inimaginable incluso hace unas pocas décadas. Hasta principios de la década de 2010, la mayoría de los dispositivos portátiles usaban pantallas de cristal líquido (LCD), que están fundamentalmente limitadas por el hecho de que no producen luz propia, sino que filtran la luz emitida por una luz de fondo. Como resultado, las pantallas LCD son relativamente voluminosas y tienden a tener un contraste deficiente entre la luz y la oscuridad. Por otro lado, las pantallas basadas en OLED emiten luz por sí mismas, sin necesidad de retroiluminación. Por lo tanto, se pueden hacer más delgados y livianos y lograr un mayor contraste que los LCD.

El componente emisor de luz de un OLED es una capa semiconductora orgánica intercalada entre dos electrodos, uno de los cuales es transparente para dejar pasar la luz. El color de la luz emitida depende de la composición de la capa semiconductora:diferentes compuestos emisores dan lugar a diferentes colores. Actualmente, los compuestos emisores de uso común incluyen compuestos heteroaromáticos e hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que dan lugar a una emisión brillante, pero a costa de una baja pureza del color. Además, muchos de estos compuestos tienen una estabilidad química y térmica deficiente, lo que complica significativamente el procesamiento y contribuye al alto costo de fabricación. Por lo tanto, todavía hay mucho espacio para mejoras en el diseño de compuestos emisores.

Ante estos desafíos, científicos de tres instituciones de investigación líderes en Polonia se han unido para proponer moléculas novedosas para su aplicación como emisores OLED. Su consorcio de investigación fue iniciado por el Dr. Marcin Lindner del Instituto de Química Orgánica de la Academia de Ciencias de Polonia. Este proyecto se puso en marcha cuando diseñó una serie de nuevos emisores potenciales basados ​​en fracciones aromáticas donadoras y aceptoras de electrones unidas por un anillo antiaromático de siete miembros. La inspiración para este diseño provino de la observación de que muchos emisores existentes presentan un enlace directo entre los restos donante y aceptor, pero esa disposición trae consigo ciertas ventajas. ¿Qué pasaría si los restos donante y aceptor estuvieran conectados por un anillo antiaromático? Otro aspecto innovador del diseño del Dr. Lindner es la elección del grupo donador de electrones:un grupo PAH dopado con nitrógeno (o dopado con N). El dopaje con nitrógeno hace que el esqueleto molecular adopte una geometría ligeramente cóncava, similar a un cuenco, lo que ayuda a reducir las interacciones de apilamiento no deseadas en la fase condensada.

El Dr. Lindner dice que "el diseño básico de nuestros PAH dopados con N resultó ser bastante flexible, y sus propiedades son muy sensibles a la elección del grupo aceptor de electrones. Por ejemplo, podemos ajustar el mecanismo de emisión entre activados térmicamente fluorescencia retardada (TADF) y fosforescencia a temperatura ambiente (RTP). Esto nos brinda un alto grado de control sobre el perfil de emisión".

Después de que el grupo de investigación del Dr. Lindner sintetizara los PAH dopados con N, sus propiedades ópticas y electrónicas fueron caracterizadas minuciosamente por el prof. Przemysław Data, espectroscopista de la Universidad Tecnológica de Silesia. En particular, el prof. El grupo de investigación de Data registró los espectros de emisión de los PAH dopados con N en varios conjuntos de condiciones y midió los niveles de energía de los orbitales moleculares.

Además, el prof. El grupo de Data fabricó prototipos de OLED que incorporaron los nuevos compuestos y midieron sus eficiencias cuánticas externas (EQE). De manera gratificante, se descubrió que el PAH dopado con N de mejor rendimiento logró un EQE del 12 %, más alto que los emisores donantes-aceptores existentes de un tipo similar.

El trabajo experimental se complementó con cálculos de química cuántica por parte del equipo dirigido por el Dr. Adam Kubas, químico teórico del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia. El Dr. Kubas y su grupo realizaron simulaciones informáticas de última generación de las estructuras y propiedades de los PAH dopados con N. Sus simulaciones proporcionaron algunos conocimientos que habrían sido inaccesibles para experimentar solos.

"En términos de estructura electrónica, los PAH dopados con N son bastante exóticos. La presencia del anillo de siete miembros entre los restos donante y aceptor desacopla parcialmente, pero no completamente, a los dos. En consecuencia, estos compuestos exhiben un singlete pequeño pero positivo. -brechas de energía de triplete, lo que facilita la emisión por parte de TADF", explica Michał Kochman, investigador postdoctoral en el grupo del Dr. Kubas.

Los resultados completos de este estudio se publicaron en Angewandte Chemie . Sin embargo, la historia no termina ahí:el consorcio de investigación continúa sus esfuerzos para desarrollar emisores mejorados para pantallas OLED de bajo consumo. El equipo cree que pronto escucharemos sobre la segunda generación de PAH dopados con N con características aún mejores. La razón clave para lograr un progreso tan rápido es la participación de especialistas de varias áreas diferentes que aportan diversas habilidades y experiencia.

El Dr. Kubas está de acuerdo:"La ciencia de alta calidad necesita una actitud interdisciplinaria. En nuestro proyecto de investigación, la estrecha cooperación entre químicos experimentales y teóricos ha creado algunos materiales nuevos y prometedores con excelentes propiedades optoelectrónicas. Sobre todo, pudimos demostrar un paradigma completamente nuevo para el diseño de HAP fuertemente dopados con N". + Explora más

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