Le nuove molecole create dai ricercatori dell'Università di Kyushu si allineano, in media, con la stessa parte della molecola che punta lontano da una superficie. Attaccando diverse unità che spingono o attirano elettroni caricati negativamente verso o lontano da questa sezione che determina l'orientamento, i ricercatori potrebbero ottenere campi elettrici in strati sottili dei materiali quando le molecole si allineano spontaneamente al momento della deposizione su una superficie per creare un potenziale di superficie gigante. Questa figura mostra due di queste molecole, con il rosso che indica le aree di carica più negativa e le aree blu di carica meno negativa. Sebbene l'unità comune al centro sia generalmente allineata lontano dalla superficie, le diverse unità circostanti danno luogo a campi positivi o addirittura negativi sulla superficie. Questo nuovo livello di controllo dei campi elettrici in strati sottili potrebbe essere utilizzato per migliorare le prestazioni dei diodi organici emettitori di luce e per realizzare nuovi dispositivi che convertono le vibrazioni in elettricità. Credito:Università di Kyushu
In un'impresa molecolare simile a quella di far iniziare spontaneamente i pedoni su un passaggio pedonale in salita, i ricercatori dell'Università di Kyushu hanno creato una serie di molecole che tendono ad essere rivolte nella stessa direzione per formare un "potenziale di superficie gigante" quando evaporano su una superficie.
I ricercatori sperano di utilizzare l'approccio per generare campi elettrici controllati che aiutino a migliorare l'efficienza dei diodi organici emettitori di luce utilizzati nei display e nell'illuminazione e aprire nuove strade per la realizzazione di dispositivi che convertono le vibrazioni in elettricità con materiali organici.
Basandosi sulla fantastica versatilità chimica del carbonio che rende possibili gli organismi viventi, l'elettronica organica sta già guidando un'ondata di schermi TV e smartphone vibranti e persino flessibili, con applicazioni in celle solari, laser e circuiti all'orizzonte.
Questa flessibilità è in parte dovuta alla natura disordinata delle pellicole sottili dei materiali utilizzati nei dispositivi. A differenza della comune elettronica inorganica basata su atomi di silicio strettamente collegati in cristalli rigidi e ben organizzati, gli organici di solito formano strati "amorfi" che non sono così ben organizzati.
Nonostante l'organizzazione apparentemente casuale delle molecole, i ricercatori hanno scoperto che alcune di fatto tendono ad allinearsi in direzioni simili, con un profondo impatto sulle proprietà di un dispositivo e creando nuove possibilità per controllare le prestazioni del dispositivo.
"È già stato svolto un lavoro significativo sulle molecole che si allineano in modo tale che la luce che emettono possa sfuggire più facilmente a un dispositivo", afferma Masaki Tanaka, assistente professore presso l'Università di agricoltura e tecnologia di Tokyo (TUAT) che ha iniziato il presente lavoro mentre presso il Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) dell'Università di Kyushu e ha proseguito gli studi sull'allineamento molecolare nei film amorfi dopo il suo trasferimento alla TUAT.
"Tuttavia, è noto che altre molecole si allineano in un modo che mette più elettroni su un lato dello strato, portando a un cosiddetto potenziale di superficie accompagnato da un campo elettrico. Questo campo può aiutare le cariche a muoversi dentro o fuori da un dispositivo per renderlo più efficiente o sbloccare nuove proprietà elettriche, ma trovare modi per controllare la formazione del campo è stata una sfida."
I film utilizzati nell'elettronica organica sono solitamente spessi solo decine di nanometri, una frazione dello spessore di un capello umano, e spesso vengono gradualmente accumulati riscaldando prima una polvere organica nel vuoto in modo che cambi direttamente da solido a gas, un processo noto come sublimazione. Quando le molecole della polvere sublimata raggiungono una superficie fredda, si attaccano formando uno strato.
"Nella fase gassosa, le molecole ruotano in modo casuale e si scontrano, quindi è probabile che si depositino in una direzione casuale su una pellicola", spiega Morgan Auffray, che ha sintetizzato le molecole. "Tuttavia, abbiamo scoperto che alcune unità molecolari con atomi di fluoro sostanzialmente si respingono dalla superficie di deposizione. Includendo queste unità in una molecola, possiamo far sì che le molecole depositate si allineino grosso modo, con le unità fluorurate rivolte verso l'esterno".
I ricercatori hanno quindi attaccato parti che spingono e attirano elettroni caricati negativamente verso o lontano dall'unità fluorurata. Questo squilibrio di cariche attraverso le molecole allineate su una superficie porta al cosiddetto potenziale di superficie e un campo elettrico risultante.
"Poiché le molecole depositate e i campi elettrici associati puntano in una direzione simile, i singoli minuscoli campi si sommano per produrre un campo complessivo molto più ampio", afferma Tanaka. "Non solo possiamo ottenere un campo relativamente più grande, ma possiamo farlo puntare verso la superficie, cosa che è stata segnalata raramente finora."
Questi strati producono un potenziale di superficie gigantesco di quasi 10 V, il che è particolarmente impressionante se si considera che è stato prodotto spontaneamente da un film spesso solo 100 nm.
Una tensione così grande su uno spessore così piccolo produce un campo elettrico elevato che può aiutare a ottenere cariche positive e negative nei vari strati di dispositivi come gli OLED, migliorando così l'efficienza complessiva di conversione della potenza.
Inoltre, queste strutture elettriche integrate e controllate potrebbero aiutare nella realizzazione di nuovi dispositivi. I ricercatori hanno già dimostrato che gli strati potrebbero essere utilizzati in un nuovo tipo di dispositivo che converte le vibrazioni in elettricità, ma resta ancora molto lavoro per rendere pratici tali dispositivi.
"La scienza continua a mostrarci nuovi modi per controllare i processi elettrici su scala sempre più piccola disponendo gli atomi in molecole organiche", afferma Chihaya Adachi, direttore di OPERA. "Questa ricerca si aggiunge alla nostra borsa degli attrezzi, che renderà possibili nuovi dispositivi man mano che continua a crescere."
La ricerca è stata pubblicata su Nature Materials . + Esplora ulteriormente
