Este esquema muestra la estructura básica de un OLED basado en exciplex con color de emisión y eficiencia que se puede controlar simplemente cambiando el grosor del espaciador. Un exciplex se forma cuando un agujero en el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de una molécula donante es atraído por un electrón en el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) de una molécula aceptora. La luz se emite cuando el electrón libera energía en forma de luz y se transfiere a través de la capa espaciadora a la molécula donante. reemplazando así el electrón faltante representado por el agujero. El grosor del espaciador se puede utilizar para modificar la atracción entre el agujero y el electrón y ajustar la energía del exciplex. Sin cambiar ninguna de las moléculas, el color de emisión podría variar de naranja a verde amarillento y la eficiencia se pudo mejorar ocho veces aumentando el grosor del espaciador a 5 nm. Este dispositivo se informó por primera vez en el artículo titulado 'Acoplamiento de largo alcance de pares de agujeros de electrones en capas orgánicas donante-aceptor separadas espacialmente' escrito por H. Nakanotani en el Centro de Investigación de Fotónica y Electrónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu en Fukuoka. Japón, y colegas y publicado en línea el 26 de febrero 2016 en la revista Avances de la ciencia . Crédito:Hajime Nakanotani y William John Potscavage Jr.
Demostrar una estrategia que podría constituir la base de una nueva clase de dispositivos electrónicos con propiedades sintonizables únicas. Los investigadores de la Universidad de Kyushu pudieron variar ampliamente el color de emisión y la eficiencia de los diodos emisores de luz orgánicos basados en exciplex simplemente cambiando la distancia entre las moléculas clave en los dispositivos en unos pocos nanómetros.
Esta nueva forma de controlar las propiedades eléctricas cambiando ligeramente el grosor del dispositivo en lugar de los materiales podría conducir a nuevos tipos de dispositivos electrónicos orgánicos con comportamiento de conmutación o emisión de luz que reacciona a factores externos.
Los dispositivos electrónicos orgánicos como los OLED y las células solares orgánicas utilizan películas delgadas de moléculas orgánicas para los materiales eléctricamente activos. haciendo posibles dispositivos flexibles y de bajo costo.
Un factor clave que determina las propiedades de los dispositivos orgánicos es el comportamiento de los paquetes de energía eléctrica llamados excitones. Un excitón consiste en un electrón negativo atraído por un agujero positivo, que se puede considerar como un electrón faltante.
En OLED, la energía de estos excitones se libera en forma de luz cuando el electrón pierde energía y llena el hueco del hueco. Variando la energía del excitón, por ejemplo, cambiará el color de emisión.
Sin embargo, los excitones se localizan comúnmente en una sola molécula orgánica y están estrechamente unidos con energías de unión de aproximadamente 0,5 eV. Por lo tanto, Por lo general, se deben diseñar y sintetizar moléculas completamente nuevas para obtener propiedades diferentes de estos excitones de tipo Frenkel, como el rojo, verde, o emisión azul para pantallas.
Los investigadores del Centro de Investigación en Electrónica y Fotónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu se centraron en cambio en un tipo diferente de excitón llamado exciplex, que está formado por un agujero y un electrón ubicados en dos moléculas diferentes en lugar de la misma molécula.
Al manipular la distancia molecular entre la molécula donante de electrones (donante) y la molécula aceptora de electrones (aceptor) que transportan el agujero y el electrón del exciplex, respectivamente, los investigadores podrían modificar las propiedades de estos excitones débilmente unidos.
"Lo que hicimos fue similar a colocar hojas de papel entre un imán y un refrigerador, "dijo el profesor asociado Hajime Nakanotani, autor principal del artículo que informa sobre estos resultados, publicado en línea el 26 de febrero, 2016, en el diario Avances de la ciencia .
"Al aumentar el grosor de una capa extremadamente fina de moléculas orgánicas insertadas como espaciador entre el donante y el aceptor, Podríamos reducir la atracción entre el agujero y el electrón en el exciplex y, por lo tanto, influir en gran medida en la energía del exciplex, toda la vida, y color de emisión y eficiencia ".
En efecto, los cambios pueden ser grandes:insertando una capa espaciadora con un grosor de solo 5 nm entre una capa donante y una capa aceptora en un OLED, el color de emisión cambió de naranja a verde amarillento y la eficiencia de emisión de luz aumentó un 700%.
Para que esto funcione, la molécula orgánica utilizada para la capa espaciadora debe tener una energía de excitación superior a las del donante y aceptor, pero esos materiales ya están ampliamente disponibles.
Si bien la distancia molecular está determinada actualmente por el grosor de la capa espaciadora depositada al vacío, los investigadores ahora están buscando otras formas de controlar la distancia.
"Esto nos brinda una forma poderosa de variar en gran medida las propiedades del dispositivo sin rediseñar o cambiar ninguno de los materiales, "dijo la profesora Chihaya Adachi, director de OPERA. "En el futuro, visualizamos nuevos tipos de dispositivos basados en excitones que responden a fuerzas externas como la presión para controlar la distancia y el comportamiento eléctrico ".
Además, los investigadores encontraron que los exciplexos todavía se formaban cuando el espaciador tenía un grosor de 10 nm, que es largo a escala molecular.
"Esta es una de las primeras pruebas de que los electrones y los huecos aún podrían interactuar de esta manera a una distancia tan larga, "comentó el profesor Adachi, "por lo que esta estructura también puede ser una herramienta útil para estudiar y comprender la física de los excitones para diseñar mejores OLED y células solares orgánicas en el futuro".
"Desde el punto de vista científico y de las aplicaciones, estamos emocionados de ver a dónde nos lleva este nuevo camino para la ingeniería de excitones y esperamos establecer una nueva categoría de electrónica basada en excitones ".
