Ajustar a lacuna de energia combinando diferentes moléculas semicondutoras para otimizar o desempenho do dispositivo já é um procedimento estabelecido para semicondutores inorgânicos, mas continua sendo um desafio para suas contrapartes orgânicas. Agora, cientistas da TU Dresden, em cooperação com pesquisadores da TU Munich, bem como a Universidade de Würzburg, HU Berlin, e a Ulm University demonstraram como atingir esse objetivo.

Semicondutores orgânicos ganharam uma reputação como materiais eficientes em termos de energia em diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) que são empregados em telas de grandes áreas. Nestes e em outros aplicativos, como células solares, um parâmetro-chave é a lacuna de energia entre os estados eletrônicos. Ele determina o comprimento de onda da luz que é emitida ou absorvida. O ajuste contínuo desta lacuna de energia é desejável. De fato, para materiais inorgânicos, já existe um método apropriado - a chamada mistura. É baseado na engenharia do gap, substituindo átomos no material. Isso permite uma sintonia contínua como, por exemplo, em semicondutores de arsenieto de alumínio e gálio. Infelizmente, isso não é transferível para semicondutores orgânicos por causa de suas diferentes características físicas e seu paradigma de construção baseado em moléculas, tornando o ajuste de gap contínuo muito mais difícil.

Contudo, com sua última publicação, cientistas do Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) e no Cluster of Excellence "e-conversion" na TU Munich, juntamente com parceiros da Universidade de Würzburg, HU Berlin, e a Ulm University tem, pela primeira vez, realizou engenharia de lacuna de energia para semicondutores orgânicos por mistura.

Para semicondutores inorgânicos, os níveis de energia podem ser deslocados um em direção ao outro por substituições atômicas, reduzindo assim o intervalo de banda ('engenharia de intervalo de banda'). Em contraste, as modificações na estrutura da banda por meio da mistura de materiais orgânicos podem apenas mudar os níveis de energia de maneira concertada, para cima ou para baixo. Isso se deve aos fortes efeitos Coulomb que podem ser explorados em materiais orgânicos, mas isso não tem efeito sobre a lacuna. "Seria muito interessante também mudar a lacuna de materiais orgânicos por meio da mistura, para evitar a longa síntese de novas moléculas ", diz o Prof. Karl Leo da TU Dresden.

Os pesquisadores descobriram uma maneira não convencional de misturar o material com misturas de moléculas semelhantes de tamanhos diferentes. "A principal descoberta é que todas as moléculas se organizam em padrões específicos que são permitidos por sua forma e tamanho molecular", explica Frank Ortmann, professor da TU Munich e líder de grupo no Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden). "Isso induz a mudança desejada na constante dielétrica do material e na energia do gap."

O grupo de Ortmann conseguiu esclarecer o mecanismo simulando as estruturas dos filmes misturados e suas propriedades eletrônicas e dielétricas. Uma mudança correspondente no empacotamento molecular dependendo da forma das moléculas combinadas foi confirmada por medições de espalhamento de raios-X, realizado pelo Organic Devices Group do Prof. Stefan Mannsfeld na cfaed. O trabalho experimental central e do dispositivo foi feito por Katrin Ortstein e seus colegas no grupo do Prof. Karl Leo, TU Dresden.

Os resultados deste estudo acabam de ser publicados na conceituada revista. Materiais da Natureza . Embora isso comprove a viabilidade desse tipo de estratégia de engenharia de nível de energia, seu emprego será explorado para dispositivos optoeletrônicos no futuro.