As exibições visuais eletrônicas percorreram um longo caminho desde os primeiros dias dos tubos de raios catódicos. Os dispositivos de exibição modernos, baseados em diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), são compactos o suficiente para nos acompanhar aonde quer que formos, em dispositivos portáteis como smartphones e smartwatches. Ainda assim, há necessidade de mais melhorias no desempenho de telas baseadas em OLED, especialmente em relação à eficiência energética e pureza de cores, que impactam diretamente no consumo de energia. Recentemente, uma equipe de pesquisadores dos dois institutos da Academia Polonesa de Ciências (PAS), Instituto de Química Física PAS e Instituto de Química Orgânica PAS, e da Universidade de Tecnologia da Silésia propôs uma série de novos compostos químicos para servir como emissores de OLEDs, levando-nos um passo mais perto de tecnologias robustas e sustentáveis ​​em eletrônicos portáteis.
Exibições visuais eletrônicas são onipresentes em nossas vidas diárias, na medida em que seria inimaginável até algumas décadas atrás. Até o início dos anos 2010, a maioria dos dispositivos portáteis usava telas de cristal líquido (LCDs), que são fundamentalmente limitadas pelo fato de não produzirem luz própria, mas filtram a luz emitida por uma luz de fundo. Como resultado, os LCDs são relativamente volumosos e tendem a sofrer de contraste ruim entre claro e escuro. Por outro lado, os monitores baseados em OLED emitem luz sozinhos, sem precisar de luz de fundo. Portanto, eles podem ser mais finos e mais leves e alcançar maior contraste do que os LCDs.

O componente emissor de luz de um OLED é uma camada semicondutora orgânica ensanduichada entre dois eletrodos, um dos quais é transparente para permitir a passagem da luz. A cor da luz emitida depende da composição da camada semicondutora – compostos emissores diferentes dão origem a cores diferentes. Atualmente, os compostos emissores comumente usados ​​incluem compostos heteroaromáticos e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), que dão origem a emissão brilhante, mas ao custo de baixa pureza de cor. Além disso, muitos desses compostos sofrem de baixa estabilidade química e térmica, o que complica significativamente o processamento e contribui para o alto custo de fabricação. Portanto, ainda há muito espaço para melhorias no projeto de compostos emissores.

Diante desses desafios, cientistas de três instituições de pesquisa líderes na Polônia se uniram para propor novas moléculas para aplicação como emissores de OLED. Seu consórcio de pesquisa foi iniciado pelo Dr. Marcin Lindner do Instituto de Química Orgânica da Academia Polonesa de Ciências. Este projeto foi colocado em movimento quando ele projetou uma série de novos emissores potenciais baseados em porções de doação e aceitação de elétrons aromáticos ligados por um anel antiaromático de sete membros. A inspiração para este projeto foi dada pela observação de que muitos emissores existentes apresentam uma ligação direta entre as metades doadora e receptora, mas esse arranjo traz algumas vantagens. E se as porções doadora e aceitadora estivessem conectadas por um anel antiaromático? Outro aspecto inovador do projeto do Dr. Lindner é a escolha do grupo doador de elétrons:uma porção PAH dopada com nitrogênio (ou dopada com N). A dopagem de nitrogênio faz com que o esqueleto molecular adote uma geometria levemente côncava, semelhante a uma tigela, o que ajuda a reduzir as interações de empilhamento indesejáveis ​​na fase condensada.

Dr. Lindner diz que "o projeto básico de nossos PAHs dopados com N acabou sendo bastante flexível, e suas propriedades são muito responsivas à escolha do grupo aceitador de elétrons. Por exemplo, podemos ajustar o mecanismo de emissão entre ativados termicamente fluorescência atrasada (TADF) e fosforescência à temperatura ambiente (RTP). Isso nos dá um alto grau de controle sobre o perfil de emissão."

Depois que os PAHs dopados com N foram sintetizados pelo grupo de pesquisa do Dr. Lindner, suas propriedades ópticas e eletrônicas foram minuciosamente caracterizadas pelo prof. Przemysław Data, um espectroscopista da Universidade de Tecnologia da Silésia. Notavelmente, o prof. O grupo de pesquisa de Data registrou os espectros de emissão dos PAHs dopados com N em vários conjuntos de condições e mediu os níveis de energia dos orbitais moleculares.

Além disso, o prof. O grupo de Data fabricou protótipos de OLEDs que incorporaram os novos compostos e mediram suas eficiências quânticas externas (EQEs). De forma gratificante, verificou-se que o PAH dopado com N de melhor desempenho alcançou um EQE de 12%, superior aos emissores doadores-aceitadores existentes de um tipo semelhante.

O trabalho experimental foi complementado com cálculos de química quântica pela equipe liderada pelo Dr. Adam Kubas, um químico teórico do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências. Dr. Kubas e seu grupo executaram simulações de computador de última geração das estruturas e propriedades dos PAHs dopados com N. Suas simulações forneceram alguns insights que seriam inacessíveis para experimentos sozinhos.

"Em termos de estrutura eletrônica, os PAHs dopados com N são bastante exóticos. A presença do anel de sete membros entre o doador e o aceitador desacopla parcialmente, mas não completamente, os dois. Consequentemente, esses compostos exibem singleto pequeno, mas positivo - lacunas de energia tripla, o que facilita a emissão pelo TADF", explica Michał Kochman, pesquisador de pós-doutorado no grupo do Dr. Kubas.

Os resultados completos deste estudo foram publicados em Angewandte Chemie . No entanto, a história não termina aí:o consórcio de pesquisa continua seus esforços para desenvolver emissores aprimorados para telas OLED com eficiência energética. A equipe acredita que em breve ouviremos falar da segunda geração de PAHs dopados com N com características ainda melhores. A principal razão para o rápido progresso alcançado é o envolvimento de especialistas de diversas áreas que trazem diversas habilidades e conhecimentos.

O Dr. Kubas concorda:"A ciência de alta qualidade precisa de uma atitude interdisciplinar. Em nosso projeto de pesquisa, a estreita cooperação entre químicos experimentais e teóricos criou alguns novos materiais promissores com excelentes propriedades optoeletrônicas. Acima de tudo, pudemos demonstrar um paradigma completamente novo para o projeto de PAHs fortemente dopados com N." + Explorar mais

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