Questo schema mostra la struttura di base di un OLED basato su exciplex con colore di emissione ed efficienza che possono essere controllati semplicemente modificando lo spessore del distanziatore. Un exciplex si forma quando un buco nell'orbitale molecolare più alto occupato (HOMO) di una molecola donatrice è attratto da un elettrone nell'orbitale molecolare più basso non occupato (LUMO) di una molecola accettore. La luce viene emessa quando l'elettrone rilascia energia sotto forma di luce e si trasferisce attraverso lo strato distanziatore alla molecola donatrice, sostituendo così l'elettrone mancante rappresentato dalla lacuna. Lo spessore del distanziatore può essere utilizzato per modificare l'attrazione tra il foro e l'elettrone e sintonizzare l'energia exciplex. Senza cambiare nessuna delle molecole, il colore di emissione poteva essere variato dall'arancione al verde giallastro e l'efficienza aumentava di otto volte aumentando lo spessore del distanziatore a 5 nm. Questo dispositivo è stato segnalato per la prima volta nel documento intitolato "Long-range coupling of electron-hole pairs in organically separate donor-aceptor layers" scritto da H. Nakanotani presso il Centro per la fotonica organica e la ricerca elettronica (OPERA) dell'Università di Kyushu a Fukuoka, Giappone, e colleghi e pubblicato online il 26 febbraio, 2016 sulla rivista Progressi scientifici . Credito:Hajime Nakanotani e William John Potscavage Jr.
Dimostrare una strategia che potrebbe costituire la base per una nuova classe di dispositivi elettronici con proprietà sintonizzabili in modo univoco, i ricercatori dell'Università di Kyushu sono stati in grado di variare ampiamente il colore di emissione e l'efficienza dei diodi organici a emissione di luce basati su ecciplessi semplicemente modificando di pochi nanometri la distanza tra le molecole chiave nei dispositivi.
Questo nuovo modo di controllare le proprietà elettriche modificando leggermente lo spessore del dispositivo anziché i materiali potrebbe portare a nuovi tipi di dispositivi elettronici organici con comportamento di commutazione o emissione di luce che reagisce a fattori esterni.
I dispositivi elettronici organici come gli OLED e le celle solari organiche utilizzano film sottili di molecole organiche per i materiali elettricamente attivi, rendendo possibili dispositivi flessibili e a basso costo.
Un fattore chiave che determina le proprietà dei dispositivi organici è il comportamento dei pacchetti di energia elettrica chiamati eccitoni. Un eccitone è costituito da un elettrone negativo attratto da una lacuna positiva, che può essere pensato come un elettrone mancante.
Negli OLED, l'energia in questi eccitoni viene rilasciata come luce quando l'elettrone perde energia e riempie il vuoto del foro. Variando l'energia degli eccitoni, Per esempio, cambierà il colore di emissione.
Però, gli eccitoni sono comunemente localizzati su una singola molecola organica e strettamente legati con energie di legame di circa 0,5 eV. Così, molecole completamente nuove devono solitamente essere progettate e sintetizzate per ottenere proprietà diverse da questi eccitoni di tipo Frenkel, come il rosso, verde, o emissione blu per display.
I ricercatori del Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) dell'Università di Kyushu si sono invece concentrati su un diverso tipo di eccitone chiamato exciplex, che è formato da una lacuna e da un elettrone situato su due molecole diverse invece che sulla stessa molecola.
Manipolando la distanza molecolare tra la molecola donatrice di elettroni (donatore) e la molecola che accetta gli elettroni (accettore) che trasportano il foro e l'elettrone dell'exciplex, rispettivamente, i ricercatori potrebbero modificare le proprietà di questi eccitoni debolmente legati.
"Quello che abbiamo fatto è stato simile a posizionare fogli di carta tra un magnete e un frigorifero, ", ha affermato il Professore Associato Hajime Nakanotani, autore principale del documento che riporta questi risultati pubblicato online il 26 febbraio, 2016, nel diario Progressi scientifici .
"Aumentando lo spessore di uno strato estremamente sottile di molecole organiche inserito come distanziatore tra donatore e accettore, potremmo ridurre l'attrazione tra il foro e l'elettrone nell'exciplex e quindi influenzare notevolmente l'energia dell'exciplex, tutta la vita, e l'emissione di colore ed efficienza."
Infatti, i cambiamenti possono essere grandi:inserendo uno strato distanziatore con uno spessore di soli 5 nm tra uno strato donatore e uno strato accettore in un OLED, il colore di emissione è passato dall'arancione al verde giallastro e l'efficienza di emissione della luce è aumentata del 700%.
Perché questo funzioni, la molecola organica utilizzata per lo strato distanziatore deve avere un'energia di eccitazione superiore a quella del donatore e dell'accettore, ma tali materiali sono già ampiamente disponibili.
Mentre la distanza molecolare è attualmente determinata dallo spessore dello strato distanziatore depositato sotto vuoto, i ricercatori stanno ora esaminando altri modi per controllare la distanza.
"Questo ci offre un modo potente per variare notevolmente le proprietà del dispositivo senza riprogettare o modificare nessuno dei materiali, " ha detto il professor Chihaya Adachi, direttore dell'OPERA. "Nel futuro, immaginiamo nuovi tipi di dispositivi basati su eccitoni che rispondono a forze esterne come la pressione per controllare la distanza e il comportamento elettrico".
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che gli ecciplessi si erano ancora formati quando il distanziatore aveva uno spessore di 10 nm, che è lungo su scala molecolare.
"Questa è una delle prime prove che elettroni e buchi potrebbero ancora interagire in questo modo su una distanza così lunga, " ha commentato il professor Adachi, "quindi questa struttura potrebbe anche essere uno strumento utile per studiare e comprendere la fisica degli eccitoni per progettare migliori OLED e celle solari organiche in futuro".
"Dal punto di vista sia scientifico che applicativo, siamo entusiasti di vedere dove ci porta questo nuovo percorso per l'ingegneria degli eccitoni e speriamo di stabilire una nuova categoria di elettronica basata sugli eccitoni".
