La capacidad de manipular la radiación infrarroja cercana (NIR) tiene el potencial de permitir una el desarrollo de una gran cantidad de tecnologías, no solo para el sector biomédico (donde las semitransparencia del tejido humano es una clara ventaja), sino también para la seguridad (por ejemplo, la biometría) o la conectividad inalámbrica, donde las aplicaciones más obvias están relacionadas con las comunicaciones a través de luz casi o in-visibles (VLC), así como importantes ramificaciones, incluida la inminente revolución del Internet de las Cosas (IoT).

En comparación con los semiconductores inorgánicos, las fuentes orgánicas NIR posibilitan una fabricación barata en grandes áreas, flexibilidad mecánica, conformabilidad, y potencialmente, biocompatibilidad. Sin embargo, la eficiencia de emisión de estos emisores orgánicos NIR se ve obstaculizada por los efectos perjudiciales de ciertos tipos de agregación/empaquetado y por el aumento de las tasas no radiativas tras la reducción de la brecha energética (energy gap -EG), es decir, la llamada «ley de brecha energética» (Ley EG) para transiciones sin radiación. La ley de brecha energética y el enfriamiento de agregación son las principales limitaciones a superar en el diseño de emisores orgánicos de infrarrojo cercano. 

Los nuevos materiales híbridos orgánicos/inorgánicos, como el halogenuro de plomo metilamonio de perovskita y los puntos cuánticos, pueden ofrecer una alternativa de alta eficiencia cuántica externa (EQE), pero su contenido de metales pesados evita su uso en la mayoría de las aplicaciones, especialmente las biocompatibles o portátiles. Además, los problemas de toxicidad también pueden afectar a los materiales fosforescentes que incorporan elementos pesados tóxicos.

En un nuevo paper publicado en Light: Science & Applications, un equipo internacional de científicos, liderados liderado por el profesor Franco Cacialli en el University College de Londres y el profesor Harry Anderson de la Universidad de Oxford, informan del desarrollo de nuevos emisores NIR orgánicos y libres de metales pesados, así como OLEDs que se caracterizan por un pico de emisiones de ~ 850 nm y una eficiencia cuántica externa (EQE) máxima del 3,8%.

Los autores lograron consiguieron resultados sin precedentes abordando sinérgicamente las dos limitaciones a superar en el diseño de emisores orgánicos de infrarrojo cercano: la ley de brecha energética y el enfriamiento de agregación. 

Los autores utilizan la espectroscopia óptica para dilucidar cómo es posible aprovechar la creciente extensión espacial de los estados excitados con longitud de oligómero para manipular favorablemente la competencia entre los procesos radiativos y no radiativos (cuantificados por las tasas radiativas y no radiativas, kr y knr respectivamente), al tiempo que suprimen la agregación.

En primer lugar, los investigadores proponen oligómeros de porfiria con una longitud creciente para atenuar los efectos de la Ley EG mediante la supresión de la tasa de crecimiento no radiativa y para aumentar la tasa radiativa mediante la mejora de la fuerza del oscilador.

En segundo lugar, diseñaron cadenas laterales para suprimir el enfriamiento de la agregación. Encontramos que la tasa logarítmica de variación en la tasa no radiativa vs. EG se suprime por un orden de magnitud con respecto a estudios anteriores, y complementamos este avance demostrando diodos emisores de luz orgánicos con una eficiencia cuántica externa promedio de ~1,1%, lo que es muy prometedor para un emisor de 850 nm libre de metales pesados.

Los investigadores también presentaron un nuevo modelo cuantitativo de la eficiencia cuántica interna para capas activas que admiten la conversión triplet-to-singlet. Estos resultados proporcionan una estrategia general para el diseño de emisores NIR de alta luminosidad.

“Nuestros resultados no solo demuestran aumentos más leves de knr con (reducción) de EG que en la literatura, sino que, lo más importante, también proporcionan una estrategia general para diseñar emisores NIR de alta luminosidad. A corto plazo, pueden permitir un mayor desarrollo de OLED en este desafiante rango espectral para una amplia gama de aplicaciones potenciales que van desde las ciencias de la vida (sensores portátiles bioquímicos, bioimagen infrasuperficial in vivo, por nombrar solo dos), la seguridad (por ejemplo, biometría), la horticultura y las comunicaciones de luz (in)visible (iVLC), un competidor serio para aliviar las demandas de ancho de banda de la inminente revolución del Internet de las cosas (IoT)”, concluyen los investigadores. 

Creditos de imágenes: Alessandro Minotto, Ibrahim Bulut, Alexandros G. Rapidis, Giuseppe Carnicella, Maddalena Patrini, Eugenio Lunedei, Harry L. Anderson y Franco Cacialli