Illustrazione del processo di fissione singoletto utilizzato per aumentare il numero di eccitoni in un OLED e superare il limite del 100% per l'efficienza della produzione di eccitoni. Lo strato emittente è costituito da una miscela di molecole di rubrene, responsabili della fissione singoletto, e ErQ 3 molecole, che producono l'emissione. Un eccitone singoletto, che si crea quando una carica positiva e una carica negativa si combinano su una molecola di rubrene, può trasferire metà della sua energia a una seconda molecola di rubrene attraverso il processo di fissione singoletto, con conseguente due triplette di eccitoni. Gli eccitoni tripletti si trasferiscono poi a ErQ 3 molecole, e l'energia degli eccitoni viene rilasciata come emissione nel vicino infrarosso da ErQ 3 . Credito:William J. Potscavage Jr.
I ricercatori del Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) dell'Università di Kyushu in Giappone hanno dimostrato un modo per dividere l'energia in diodi organici a emissione di luce (OLED) e superare il limite del 100% per la produzione di eccitoni, aprendo una nuova strada promettente per la creazione di sorgenti luminose nel vicino infrarosso a basso costo e ad alta intensità per applicazioni di rilevamento e comunicazione.
Gli OLED utilizzano strati di molecole organiche contenenti carbonio per convertire le cariche elettriche in luce. Nei normali OLED, una carica positiva e una carica negativa si uniscono su una molecola per formare un pacchetto di energia chiamato eccitone. Un eccitone può rilasciare la sua energia per creare al massimo un fotone.
Quando tutte le cariche formano eccitoni che emettono luce, si ottiene un'efficienza quantica interna massima del 100%. Però, la nuova tecnologia utilizza un processo chiamato fissione singoletto per dividere l'energia da un eccitone in due, rendendo possibile superare il limite del 100% per l'efficienza della conversione di coppie di cariche in eccitoni, noto anche come efficienza di produzione degli eccitoni
"In poche parole, abbiamo incorporato molecole che fungono da macchine per il cambiamento degli eccitoni negli OLED. Simile a un cambiamonete che converte una banconota da $ 10 in due banconote da $ 5, le molecole convertono un costoso, eccitone ad alta energia in due metà prezzo, eccitoni a bassa energia, " spiega Hajime Nakanotani, professore associato presso la Kyushu University e coautore del documento che descrive i nuovi risultati.
Gli eccitoni si presentano in due forme, singole e triplette, e le molecole possono ricevere solo singolette o triplette con determinate energie. I ricercatori hanno superato il limite di un eccitone per una coppia di cariche utilizzando molecole che possono accettare un eccitone tripletto con un'energia pari alla metà dell'energia dell'eccitone singoletto della molecola.
In tali molecole, la canottiera può trasferire metà della sua energia a una molecola vicina mantenendo metà dell'energia per sé, con conseguente creazione di due terzine da un singoletto. Questo processo è chiamato fissione singoletto.
Gli eccitoni tripletti vengono quindi trasferiti a un secondo tipo di molecola che utilizza l'energia per emettere luce nel vicino infrarosso. Nel presente lavoro, i ricercatori sono stati in grado di convertire le coppie di cariche in triplette del 100,8 percento, indicando che il 100 percento non è più il limite. Questo è il primo rapporto di un OLED che utilizza la fissione singoletto, sebbene sia stato precedentemente osservato nelle celle solari organiche.
Per di più, i ricercatori potrebbero facilmente valutare l'efficienza della fissione singoletto, che spesso è difficile da stimare, basato sul confronto tra l'emissione nel vicino infrarosso e tracce di emissione visibile da singoletto rimanenti quando il dispositivo è esposto a vari campi magnetici.
"La luce nel vicino infrarosso gioca un ruolo chiave nelle applicazioni biologiche e mediche insieme alle tecnologie di comunicazione, "dice Chihaya Adachi, direttore dell'OPERA. "Ora che sappiamo che la fissione singoletto può essere utilizzata in un OLED, abbiamo un nuovo percorso per superare potenzialmente la sfida di creare un efficiente OLED vicino all'infrarosso, che troverebbe un uso pratico immediato."
Hajime Nakanotani (a sinistra), Ryo Nagata (al centro), e Chihaya Adachi (a destra) del Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) dell'Università di Kyushu hanno riportato un OLED nel vicino infrarosso che utilizza la fissione singoletto per aumentare la frazione di eccitoni creati per coppia di cariche elettriche a oltre il 100%. Usando l'elettromagnetismo nella foto, i ricercatori hanno valutato l'efficienza della fissione singoletto in base ai cambiamenti nell'emissione OLED con diversi campi magnetici applicati. Credito:Ko Inada
L'efficienza complessiva è ancora relativamente bassa in questo primo lavoro perché l'emissione nel vicino infrarosso da emettitori organici è tradizionalmente inefficiente, e l'efficienza energetica, Certo, essere sempre limitato a un massimo del 100%. Ciò nonostante, questo nuovo metodo offre un modo per aumentare l'efficienza e l'intensità senza modificare la molecola dell'emettitore, e i ricercatori stanno anche cercando di migliorare le stesse molecole dell'emettitore.
Con ulteriori miglioramenti, i ricercatori sperano di ottenere l'efficienza di produzione degli eccitoni fino al 125 percento, che sarebbe il limite successivo poiché il funzionamento elettrico porta naturalmente al 25% di singolette e al 75% di triplette. Dopo di che, stanno prendendo in considerazione idee per convertire triplette in singoletti e possibilmente raggiungere un'efficienza quantica del 200 percento.
