Los semiconductores orgánicos son una clase de materiales que encuentran aplicaciones en diversos dispositivos electrónicos debido a sus propiedades únicas. Un atributo que influye en la propiedad optoelectrónica de estos semiconductores orgánicos es su "energía de unión del excitón", que es la energía necesaria para dividir un excitón en sus constituyentes negativos y positivos.

Dado que las energías de enlace altas pueden tener un impacto significativo en el funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos, son deseables energías de enlace bajas. Esto puede ayudar a reducir las pérdidas de energía en dispositivos como las células solares orgánicas.

Si bien se han investigado varios métodos para diseñar materiales orgánicos con bajas energías de enlace, medir con precisión estas energías sigue siendo un desafío, principalmente debido a la falta de técnicas adecuadas de medición de energía.

Avanzando en la investigación en este ámbito, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Hiroyuki Yoshida de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba (Japón) ha arrojado luz sobre las energías de unión de excitones de los semiconductores orgánicos.

Su estudio fue publicado en línea en The Journal of Physical Chemistry Letters. . La Sra. Ai Sugie de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba, el Dr. Kyohei Nakano y el Dr. Keisuke Tajima del Centro de Ciencias de la Materia Emergente de RIKEN, y el Prof. Itaru Osaka del Departamento de Química Aplicada de la Universidad de Hiroshima participaron en Prof. Yoshida en la realización de este estudio.

El profesor Yoshida dice:"En este estudio, se reveló una naturaleza previamente imprevista de las energías de unión de excitones en semiconductores orgánicos. Dada la naturaleza fundamental de nuestra investigación, esperamos efectos persistentes y a largo plazo, tanto visibles como invisibles, en la vida real. aplicaciones."

El equipo primero midió experimentalmente las energías de unión de excitones para 42 semiconductores orgánicos, incluidos 32 materiales de células solares, siete materiales de diodos emisores de luz orgánicos y tres compuestos cristalinos de pentaceno.

Para calcular las energías de unión del excitón, los investigadores calcularon la diferencia de energía entre el excitón unido y su estado de "portador libre". Mientras que el primero viene dado por la "brecha óptica", ligada a la absorción y emisión de luz, el segundo viene dado por la "brecha de transporte", que denota la energía necesaria para mover un electrón desde el nivel de energía ligada más alto hasta el nivel de energía libre más bajo. nivel.

La determinación experimental del espacio óptico implicó experimentos de fotoluminiscencia y fotoabsorción. Mientras tanto, la brecha de transporte se calculó mediante espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta y espectroscopia de fotoelectrones inversa de baja energía, una técnica en la que fue pionero el grupo de investigación.

El uso de este marco permitió al equipo de investigación determinar las energías de unión de los excitones con una alta precisión de 0,1 electronvoltios (eV). Los investigadores creen que este nivel de precisión puede ayudar a discutir la naturaleza excitónica de los semiconductores orgánicos con mucha mayor confianza que estudios anteriores.

Además, los investigadores observaron un aspecto inesperado de la naturaleza de las energías de unión de los excitones. Descubrieron que la energía de unión del excitón es una cuarta parte de la banda prohibida de transporte, independientemente de los materiales involucrados.

Los resultados de este estudio darán forma a los principios fundamentales relacionados con la optoelectrónica orgánica y también tendrán posibles aplicaciones en la vida real. Por ejemplo, se espera que los principios de diseño que regulan los dispositivos optoelectrónicos orgánicos cambien favorablemente.

Además, dado el potencial de estos hallazgos para influir en conceptos dentro del campo, los investigadores creen que es probable que estos hallazgos también se incluyan en futuros libros de texto.

El profesor Yoshida concluyó:"Nuestro estudio contribuye a mejorar la comprensión actual del mecanismo de los excitones en los semiconductores orgánicos. Además, estos conceptos no sólo se limitan a los semiconductores orgánicos, sino que también pueden aplicarse a una amplia gama de materiales de base molecular, como como materiales biorelacionados."

Más información: Ai Sugie et al, Dependencia de la energía de unión de excitones en la banda prohibida de semiconductores orgánicos, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02863

Información de la revista: Revista de cartas de química física

Proporcionado por la Universidad de Chiba