Este esquema mostra a estrutura básica de um OLED baseado em exciplex com cor de emissão e eficiência que pode ser controlada simplesmente alterando a espessura do espaçador. Um exciplex se forma quando um buraco no orbital molecular ocupado mais alto (HOMO) de uma molécula doadora é atraído por um elétron no orbital molecular mais baixo não ocupado (LUMO) de uma molécula aceptora. A luz é emitida quando o elétron libera energia como luz e se transfere através da camada espaçadora para a molécula doadora, substituindo assim o elétron ausente representado pelo buraco. A espessura do espaçador pode ser usada para modificar a atração entre o buraco e o elétron e ajustar a energia do exciplex. Sem mudar nenhuma das moléculas, a cor da emissão pode variar de laranja a verde amarelado e a eficiência aumentada oito vezes aumentando a espessura do espaçador para 5 nm. Este dispositivo foi relatado pela primeira vez no artigo intitulado 'Acoplamento de longo alcance de pares de elétron-buraco em camadas orgânicas doador-aceitadoras espacialmente separadas', escrito por H. Nakanotani no Centro para Fotônica Orgânica e Pesquisa Eletrônica (OPERA) da Universidade de Kyushu em Fukuoka, Japão, e colegas e publicado online em 26 de fevereiro, 2016 no jornal Avanços da Ciência . Crédito:Hajime Nakanotani e William John Potscavage Jr.
Demonstrando uma estratégia que poderia formar a base para uma nova classe de dispositivos eletrônicos com propriedades ajustáveis exclusivas, pesquisadores da Universidade de Kyushu foram capazes de variar amplamente a cor de emissão e a eficiência dos diodos emissores de luz orgânicos baseados em exciplexes simplesmente mudando a distância entre as moléculas-chave nos dispositivos em alguns nanômetros.
Esta nova forma de controlar as propriedades elétricas alterando ligeiramente a espessura do dispositivo em vez dos materiais pode levar a novos tipos de dispositivos eletrônicos orgânicos com comportamento de comutação ou emissão de luz que reage a fatores externos.
Dispositivos eletrônicos orgânicos, como OLEDs e células solares orgânicas, usam filmes finos de moléculas orgânicas para os materiais eletricamente ativos, tornando possíveis dispositivos flexíveis e de baixo custo.
Um fator chave que determina as propriedades dos dispositivos orgânicos é o comportamento dos pacotes de energia elétrica chamados excitons. Um exciton consiste em um elétron negativo atraído por um buraco positivo, que pode ser considerado um elétron ausente.
Em OLEDs, a energia nesses excitons é liberada como luz quando o elétron perde energia e preenche o vazio do buraco. Variando a energia do exciton, por exemplo, mudará a cor da emissão.
Contudo, excitons são comumente localizados em uma única molécula orgânica e fortemente ligados com energias de ligação de cerca de 0,5 eV. Assim, moléculas inteiramente novas geralmente devem ser projetadas e sintetizadas para obter propriedades diferentes desses excitons do tipo Frenkel, como vermelho, verde, ou emissão azul para monitores.
Os pesquisadores do Centro de Fotônica Orgânica e Pesquisa Eletrônica (OPERA) da Universidade de Kyushu se concentraram em um tipo diferente de exciton chamado exciplex, que é formado por um orifício e um elétron localizados em duas moléculas diferentes, em vez da mesma molécula.
Ao manipular a distância molecular entre a molécula doadora de elétrons (doador) e a molécula aceitadora de elétrons (aceitador) que carrega o orifício do exciplex e o elétron, respectivamente, os pesquisadores puderam modificar as propriedades desses excitons fracamente ligados.
"O que fizemos é semelhante a colocar folhas de papel entre um ímã e uma geladeira, "disse o Professor Associado Hajime Nakanotani, autor principal do artigo relatando esses resultados publicado online em 26 de fevereiro de 2016, no jornal Avanços da Ciência .
"Ao aumentar a espessura de uma camada extremamente fina de moléculas orgânicas inseridas como um espaçador entre o doador e o aceitador, poderíamos reduzir a atração entre o buraco e o elétron no exciplex e, assim, influenciar muito a energia do exciplex, tempo de vida, e cor de emissão e eficiência. "
De fato, as mudanças podem ser grandes:ao inserir uma camada espaçadora com uma espessura de apenas 5 nm entre uma camada doadora e uma camada aceitadora em um OLED, a cor da emissão mudou de laranja para verde amarelado e a eficiência de emissão de luz aumentou 700%.
Para que isso funcione, a molécula orgânica usada para a camada espaçadora deve ter uma energia de excitação maior do que as do doador e aceitador, mas esses materiais já estão amplamente disponíveis.
Embora a distância molecular seja atualmente determinada pela espessura da camada espaçadora depositada a vácuo, os pesquisadores agora estão procurando outras maneiras de controlar a distância.
"Isso nos dá uma maneira poderosa de variar muito as propriedades do dispositivo sem reprojetar ou alterar nenhum dos materiais, "disse o professor Chihaya Adachi, diretor do OPERA. "No futuro, prevemos novos tipos de dispositivos baseados em excitons que respondem a forças externas como pressão para controlar a distância e o comportamento elétrico. "
Além disso, os pesquisadores descobriram que os exciplexes ainda estavam formados quando o espaçador tinha 10 nm de espessura, que é longo em escala molecular.
"Esta é uma das primeiras evidências de que elétrons e buracos ainda podem interagir dessa forma em uma distância tão longa, "comentou o professor Adachi, "então, essa estrutura também pode ser uma ferramenta útil para estudar e compreender a física dos excitons para projetar melhores OLEDs e células solares orgânicas no futuro."
"Do ponto de vista científico e de aplicações, estamos entusiasmados em ver aonde este novo caminho para a engenharia de exciton nos leva e esperamos estabelecer uma nova categoria de eletrônicos baseados em exciton. "
