L'ottimizzazione del gap energetico mescolando diverse molecole semiconduttrici per ottimizzare le prestazioni del dispositivo è già una procedura consolidata per i semiconduttori inorganici, ma rimane una sfida per le loro controparti organiche. Ora, scienziati della TU Dresda, in collaborazione con i ricercatori della TU Munich, così come l'Università di Würzburg, HU Berlino, e l'Università di Ulm hanno dimostrato come raggiungere questo obiettivo.

I semiconduttori organici si sono guadagnati la reputazione di materiali efficienti dal punto di vista energetico nei diodi organici a emissione di luce (OLED) impiegati nei display di grandi dimensioni. In queste e in altre applicazioni, come le celle solari, un parametro chiave è il gap energetico tra gli stati elettronici. Determina la lunghezza d'onda della luce emessa o assorbita. La continua adattabilità di questo gap energetico è desiderabile. Infatti, per i materiali inorganici esiste già un metodo appropriato, il cosiddetto blending. Si basa sull'ingegneria del gap di banda sostituendo gli atomi nel materiale. Ciò consente una sintonizzabilità continua in quanto, Per esempio, in semiconduttori di arseniuro di gallio e alluminio. Sfortunatamente, questo non è trasferibile ai semiconduttori organici a causa delle loro diverse caratteristiche fisiche e del loro paradigma di costruzione basato su molecole, rendendo molto più difficile la sintonizzazione continua del gap di banda.

Però, con la loro ultima pubblicazione scienziati presso il Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) e al Cluster of Excellence "e-conversion" della TU Munich insieme ai partner dell'Università di Würzburg, HU Berlino, e l'Università di Ulm hanno, per la prima volta, realizzato l'ingegneria del gap energetico per semiconduttori organici mediante miscelazione.

Per i semiconduttori inorganici, i livelli di energia possono essere spostati l'uno verso l'altro mediante sostituzioni atomiche, riducendo così il band gap ('band-gap engineering'). In contrasto, le modifiche della struttura a bande mediante la miscelazione di materiali organici possono solo spostare i livelli di energia in modo concertato verso l'alto o verso il basso. Ciò è dovuto ai forti effetti Coulomb che possono essere sfruttati nei materiali organici, ma questo non ha alcun effetto sul divario. "Sarebbe molto interessante cambiare anche il divario dei materiali organici mescolando, per evitare la lunga sintesi di nuove molecole", afferma il prof. Karl Leo della TU Dresda.

I ricercatori hanno trovato un modo non convenzionale di miscelare il materiale con miscele di molecole simili di dimensioni diverse. "La scoperta chiave è che tutte le molecole si dispongono in modelli specifici che sono consentiti dalla loro forma e dimensione molecolare", spiega Frank Ortmann, professore alla TU Munich e capogruppo al Center for Advancing Electronics di Dresda (cfaed, TU Dresda). "Questo induce il cambiamento desiderato nella costante dielettrica del materiale e nell'energia del gap".

Il gruppo di Ortmann è stato in grado di chiarire il meccanismo simulando le strutture dei film miscelati e le loro proprietà elettroniche e dielettriche. Un corrispondente cambiamento nell'imballaggio molecolare a seconda della forma delle molecole miscelate è stato confermato dalle misurazioni della diffusione dei raggi X, eseguita dall'Organic Devices Group del Prof. Stefan Mannsfeld presso cfaed. Il principale lavoro sperimentale e sui dispositivi è stato svolto da Katrin Ortstein e dai suoi colleghi del gruppo del Prof. Karl Leo, TU Dresda.

I risultati di questo studio sono stati appena pubblicati sulla rinomata rivista Materiali della natura . Sebbene ciò dimostri la fattibilità di questo tipo di strategia ingegneristica a livello energetico, il suo impiego sarà esplorato per i dispositivi optoelettronici in futuro.