Semicondutores orgânicos, uma classe de materiais à base de carbono com propriedades ópticas e eletrônicas, agora são comumente usados ​​para fabricar uma variedade de dispositivos, incluindo células solares, diodos emissores de luz e transistores de efeito de campo. Esses materiais semicondutores podem apresentar uma característica conhecida como transporte de carga altamente unipolar, o que significa essencialmente que eles conduzem predominantemente elétrons ou buracos. Isso pode ser um tanto problemático, pois isso prejudica sua eficiência e desempenho.

Pesquisadores do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros identificaram recentemente uma janela de energia dentro da qual semicondutores orgânicos não sofrem retenção de carga. Conforme explicado em seu artigo, publicado em Materiais da Natureza , esta janela permite o transporte de carga sem armadilhas de ambas as transportadoras.

"Em 2012, investigamos o aprisionamento de elétrons em polímeros conjugados e descobrimos que reduzir os níveis de energia em que ocorre o transporte de elétrons (ou seja, LUMO) poderia reduzir a quantidade de aprisionamento de elétrons, "Gert-Jan Wetzelaer, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore. "Ano passado, desenvolvemos uma estratégia para melhorar os eletrodos em dispositivos semicondutores orgânicos, o que nos permitiu investigar semicondutores orgânicos com uma gama muito grande de níveis de energia. Em nosso novo estudo, estávamos interessados ​​em como a posição desses níveis de energia influenciaria o transporte de elétrons e buracos, mesmo para níveis de energia muito profundos, que não poderia ser explorado anteriormente. "

Para investigar como a posição dos níveis de energia pode influenciar a capacidade de um semicondutor de transportar elétrons e lacunas, Wetzelaer e seus colegas mediram correntes de elétrons e lacunas em uma variedade de semicondutores orgânicos. Em seu trabalho anterior, eles observaram que o grau em que essa corrente depende da voltagem aplicada em um filme semicondutor pode ser usado como uma medida da quantidade de retenção de carga.

Quando os pesquisadores mediram a corrente que passa por uma grande variedade de semicondutores orgânicos com diferentes níveis de energia, eles descobriram que os níveis de energia de materiais individuais influenciavam se a corrente era limitada pelo aprisionamento de carga ou não. Depois de realizar uma série de experimentos e reunir inúmeras observações, eles foram capazes de identificar uma janela na qual semicondutores orgânicos podem alcançar o transporte de carga livre de armadilhas.

Mais especificamente, eles observaram que quando a energia de ionização de um material sobe acima de 6 eV, ocorre o aprisionamento de orifícios e, portanto, não será mais capaz de conduzir orifícios de maneira eficiente. Por outro lado, quando a afinidade eletrônica de um material é inferior a 3,6 eV, não será capaz de transportar elétrons com eficiência. Para conduzir eficazmente os elétrons e buracos, Portanto, os níveis de energia de ionização e afinidade eletrônica de um material devem estar dentro desta janela específica.

"Nossos resultados indicam que, para um desempenho ideal, os níveis de energia dos semicondutores orgânicos usados ​​em dispositivos, como OLEDs e células solares orgânicas, deve estar idealmente situado dentro da janela de energia descoberta, "Disse Wetzelaer." Dentro desta janela de energia, a condução de portadores de carga será eficiente, o que é importante para converter eletricidade em luz e vice-versa. "

O estudo realizado por Wetzelear e seus colegas apresenta uma regra geral de design para semicondutores orgânicos que podem ser usados ​​para a fabricação de OLEDs, células solares e transistores de efeito de campo. Esta 'regra geral' especifica os níveis de energia desejáveis ​​para alcançar maior eficiência e condutividade em dispositivos construídos com esses materiais.

"Recentemente, conseguimos criar um OLED altamente eficiente com base nessas regras de design, com uma arquitetura de dispositivo muito menos complexa do que normalmente usada, "Wetzelaer acrescentou.

Wetzelaer e seus colegas realizaram uma série de simulações e reuniram outros resultados interessantes, sugerindo que os aglomerados de água podem ser a fonte de retenção de buracos. Esta observação chave pode ajudar a conceber estratégias para remover armadilhas de carga de filmes semicondutores.

No futuro, a janela de energia identificada por esta equipe de pesquisadores poderia informar o desenvolvimento de dispositivos baseados em semicondutores mais eficientes. Além disso, suas observações levantam questões interessantes relacionadas ao design de OLEDs azuis.

"Em OLEDs azuis, a lacuna de energia necessária para a emissão de luz azul é de aproximadamente 3,0 eV, que é maior do que a janela sem armadilhas, "Wetzelaer disse." Agora estamos planejando investigar estratégias para remover ou desativar armadilhas de carga em semicondutores orgânicos, para ser capaz de fazer OLEDs azuis altamente eficientes. "

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