Ilustração do processo de fissão singlet usado para aumentar o número de excitons em um OLED e quebrar o limite de 100 por cento para a eficiência da produção de excitons. A camada emissora consiste em uma mistura de moléculas de rubrene, que são responsáveis pela fissão singlete, e ErQ 3 moléculas, que produzem a emissão. Uma excitação singlet, que é criado quando uma carga positiva e uma carga negativa se combinam em uma molécula de rubrene, pode transferir metade de sua energia para uma segunda molécula de rubrene através do processo de fissão singlete, resultando em dois excitons trigêmeos. Os excitons trigêmeos são então transferidos para ErQ 3 moléculas, e a energia do exciton é liberada como emissão infravermelha próxima por ErQ 3 . Crédito:William J. Potscavage Jr.
Pesquisadores do Centro de Fotônica Orgânica e Pesquisa Eletrônica (OPERA) da Universidade de Kyushu no Japão demonstraram uma maneira de dividir a energia em diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) e ultrapassar o limite de 100 por cento para a produção de excitons, abrindo uma nova rota promissora para a criação de fontes de luz infravermelha de baixo custo e alta intensidade para aplicações de detecção e comunicação.
Os OLEDs usam camadas de moléculas orgânicas contendo carbono para converter cargas elétricas em luz. Em OLEDs normais, uma carga positiva e uma carga negativa se juntam em uma molécula para formar um pacote de energia chamado exciton. Um exciton pode liberar sua energia para criar no máximo um fóton.
Quando todas as cargas formam excitons que emitem luz, uma eficiência quântica interna máxima de 100 por cento é alcançada. Contudo, a nova tecnologia usa um processo chamado fissão singlete para dividir a energia de um exciton em dois, tornando possível exceder o limite de 100 por cento para a eficiência de conversão de pares de carga em excitons, também conhecido como eficiência de produção de exciton
"Simplificando, incorporamos moléculas que atuam como máquinas de troca de excitons em OLEDs. Semelhante a uma máquina de câmbio que converte uma nota de $ 10 em duas notas de $ 5, as moléculas convertem um caro, exciton de alta energia em duas pela metade do preço, excitons de baixa energia, "explica Hajime Nakanotani, professor associado da Universidade de Kyushu e co-autor do artigo que descreve os novos resultados.
Excitons vêm em duas formas, singlets e trigêmeos, e as moléculas só podem receber singlets ou trigêmeos com certas energias. Os pesquisadores superaram o limite de um exciton por um par de cargas usando moléculas que podem aceitar um exciton tripleto com uma energia que é metade da energia do exciton singuleto da molécula.
Em tais moléculas, o singlete pode transferir metade de sua energia para uma molécula vizinha, mantendo metade da energia para si, resultando na criação de dois trigêmeos de um singlet. Este processo é denominado fissão singlete.
Os excitons tripletos são então transferidos para um segundo tipo de molécula que usa a energia para emitir luz infravermelha próxima. No presente trabalho, os pesquisadores foram capazes de converter os pares de carga em tripletos de 100,8 por cento, indicando que 100 por cento não é mais o limite. Este é o primeiro relatório de um OLED usando fissão singlete, embora já tenha sido observado em células solares orgânicas.
Além disso, os pesquisadores puderam avaliar facilmente a eficiência da fissão singlete, que muitas vezes é difícil de estimar, com base na comparação da emissão de infravermelho próximo e traços de emissão visível de singletes restantes quando o dispositivo é exposto a vários campos magnéticos.
"A luz do infravermelho próximo desempenha um papel fundamental em aplicações biológicas e médicas, juntamente com tecnologias de comunicação, "diz Chihaya Adachi, diretor do OPERA. "Agora que sabemos que a fissão singlete pode ser usada em um OLED, temos um novo caminho para potencialmente superar o desafio de criar um OLED infravermelho próximo eficiente, que teria uso prático imediato. "
Hajime Nakanotani (esquerda), Ryo Nagata (centro), e Chihaya Adachi (à direita) no Centro de Fotônica Orgânica e Pesquisa Eletrônica da Universidade de Kyushu (OPERA) relatou um OLED infravermelho próximo que usa fissão singlete para aumentar a fração de excitons criados por par de cargas elétricas para mais de 100 por cento. Usando o eletromagnético retratado, os pesquisadores avaliaram a eficiência da fissão singlete com base nas mudanças na emissão de OLED com diferentes campos magnéticos aplicados. Crédito:Ko Inada
A eficiência geral ainda é relativamente baixa neste trabalho inicial porque a emissão do infravermelho próximo de emissores orgânicos é tradicionalmente ineficiente, e a eficiência energética irá, claro, sempre ser limitado a um máximo de 100 por cento. Apesar disso, este novo método oferece uma maneira de aumentar a eficiência e intensidade sem alterar a molécula emissora, e os pesquisadores também estão procurando melhorar as próprias moléculas emissoras.
Com mais melhorias, os pesquisadores esperam obter a eficiência de produção de exciton em até 125 por cento, que seria o próximo limite, uma vez que a operação elétrica leva naturalmente a 25% de singlets e 75% de trigêmeos. Depois disso, eles estão considerando ideias para converter trigêmeos em singletes e, possivelmente, atingir uma eficiência quântica de 200 por cento.
