I display a diodi organici a emissione di luce (OLED) sono ora caratteristiche molto popolari di molti prodotti tradizionali, inclusi smartphone e televisori. Gli OLED hanno il vantaggio di essere a basso costo, leggero, flessibile, e facile da modificare, che li rende materiali di visualizzazione ideali. Però, gli attuali OLED che raggiungono efficienze quantistiche commercialmente valide contengono atomi di metalli rari come iridio e platino che aumentano i costi e riducono la sostenibilità. Ora, un team internazionale che comprende ricercatori dell'Università di Osaka ha segnalato l'OLED senza atomi pesanti con le migliori prestazioni nel suo genere.

Sebbene gli OLED che non contengono atomi pesanti, come metalli rari e alogeni, siano una scelta ovvia per ridurre i costi e migliorare la redditività a lungo termine dei prodotti, gli emettitori senza atomi pesanti attualmente disponibili hanno dei limiti.

I materiali noti come emettitori di fluorescenza ritardata attivati ​​termicamente (TADF) sono efficienti; però, in genere hanno ampi spettri di emissione che li rendono più adatti all'uso come sorgenti luminose che come emettitori precisi richiesti per le applicazioni di visualizzazione. Un altro tipo di emettitore privo di atomi pesanti sono gli emettitori di fosforescenza a temperatura ambiente (RTP); però, gli OLED che li utilizzano mostrano efficienze molto basse di <1%, a causa dell'estinzione degli eccitoni tripletti di lunga durata nel dispositivo.

I ricercatori hanno quindi unito i meccanismi dei fenomeni TADF e RTP per produrre un emettitore ibrido che combina le caratteristiche di entrambi i sistemi. Il loro materiale TADF/RTP, chiamato SiAz, contiene solo carbonio, idrogeno, azoto, e atomi di silicio, che sono facili da ottenere elementi naturalmente abbondanti, rendendo SiAz praticabile per un uso diffuso.

"Le lacune del livello di energia negli stati eccitati di un materiale che emette determinano come i materiali possono comportarsi in base all'eccitazione e all'emissione che producono, " L'autore corrispondente dello studio Youhei Takeda spiega. "Combinare i due meccanismi significava che potevamo alterare il modo in cui una molecola eccitonica subisce la transizione tra gli stati di spin ed energeticamente diversi per produrre le caratteristiche generali che volevamo. Nello specifico, sintonizzando i livelli di energia, il nostro materiale può utilizzare il sistema di conversione termica per produrre RTP."

I ricercatori hanno ottenuto un alto grado di controllo sui livelli di energia attraverso un'attenta selezione del materiale ospite in cui è stata impregnata la molecola dell'emettitore, il che ha permesso la transizione termicamente attivata dallo stato eccitato di tripletto energeticamente più basso allo stato di tripletto più alto delle molecole dell'emettitore a irradiare RTP puro in modo efficiente. Il materiale SiAz è stato utilizzato con successo in un dispositivo che ha raggiunto un'efficienza quantica esterna del 4%, che è il migliore segnalato fino ad oggi per un OLED privo di atomi pesanti basato su RTP.

"Speriamo che ulteriori sforzi per comprendere le relazioni struttura-proprietà di questi sistemi ibridi ci consentiranno di identificare chiari principi di progettazione in futuro, " Spiega Takeda. "Si prevede che l'applicazione del controllo che abbiamo dimostrato porterà alla disponibilità diffusa di prodotti OLED privi di atomi pesanti e di agenti di bio-immagine ad alta risoluzione che siano sostenibili ed economici".