Los materiales orgánicos se encuentran actualmente en el centro de múltiples investigaciones para el desarrollo de innovaciones relacionadas con la iluminación LED o energía solar; haciendo de estas moléculas orgánicas una alternativa realmente prometedora a los semiconductores utilizados a día de hoy, como el silicio o el germanio. Un problema importante de esta tecnología es que en muchos semiconductores orgánicos el flujo de electricidad se ve obstaculizado por defectos microscópicos. Ahora, investigadores del Instituto Max-Planck para la Investigación de Polímeros han conseguido diseñar semiconductores orgánicos (OLED) donde la corriente eléctrica no se vea afectada por estos defectos.
El principio básico de la primera bombilla, inventada por Thomas Edison en el siglo XIX, era bastante simple: los electrones, partículas cargadas negativamente, fluyen a través de un filamento de carbono y crean luz al convertir la energía en luz y calor. Hoy en día, la física de la generación de luz en dispositivos semiconductores es más compleja: los electrones fluyen a través de un dispositivo y liberan su energía en un punto determinado de este dispositivo. Por ello deben encontrar un lugar libre, por ejemplo, un lugar que no esté ocupado por un electrón – a un nivel de energía más profundo. Este lugar libre se puede ver como una especia de carga positiva, y se denomina como agujero o hueco. Si el electrón salta del agujero, su energía se libera en forma de luz. Basado en este principio, un OLED (diodo orgánico emisor de luz) convierte la corriente eléctrica en luz.
La eficiencia de tal dispositivo depende en gran medida de qué tan buenos agujeros y electrones se pueden conducir. Si los electrones o los huecos están comprometidos por defectos, lo que significan que ya no pueden contribuir a la corriente, entonces existe un exceso de un tipo de carga. Por ejemplo, en el caso de que los huecos estén comprometidos, hay más electrones que agujeros, lo que significa que solo una parte de los electrones pueden crear luz y se reduce, por tanto, la eficiencia del OLED.
“En nuestros experimentos más recientes, examinamos una amplia gama de semiconductores orgánicos y descubrimos los parámetros principales que son esenciales para una conducción igual y sin defectos de los agujeros y electrones”, explica el Dr. Gert-Jan Wetzelaer, uno de los autores de la investigación. En un semiconductor, los electrones se mueven a un nivel más alto de energía, mientras que los agujeros se mueven a un nivel más bajo (más profundo) de energía. Los científicos descubrieron que las conducciones de ambos tipos de carga dependen en gran medida de estos niveles de energía. “Dependiendo de la energía de estos niveles, el transporte de la carga puede estar dominada por los electrones o agujeros o, con la correcta elección de los niveles de energía, contribuir de igual formar al transporte de la carga”, añade Wetzelaer.
En las simulaciones por computación, los científicos liderados de Denis Andrienko, observaron con mayor profundidad el origen de estas trampas de carga: “En muestras simulaciones, introdujimos grupos de moléculas de agua en el semiconductor, los cuales pueden acumularse en pequeños huecos en el semiconductor”, explica Andirenko. “Descubrimos que estos grupos de moléculas de aguas pueden funcionar como una trampa de agujeros, lo que lleva a semiconductores orgánicos dominados por electrones. Por el contrario, para los semiconductores dominados por agujeros, los defectos relacionados con el oxígeno capturan electrones. Como resultado, podríamos demostrar que un transporte de carga altamente unipolar para agujeros y electrones se rige por una cantidad muy pequeña de estos defectos, como el agua y el oxígeno. Desafortunadamente, eliminar dichos defectos por completo ha resultado ser un gran desafío”.
Por lo tanto, los investigadores ahora son capaces de definir cómo diseñar semiconductores orgánicos altamente eficientes en el futuro: los diferentes niveles de energía del materials deben estar en un cierto rango, lo que reducen en gran medida la influencia de las moléculas de oxígeno y agua, que son la causa principal de las trampas de carga. Basado en este concepto, se han realizado recientemente los primeros OLED altamente eficientes con una conducción eléctrica libre de defectos.
Los resultados de la investigación se han publicado recientemente en la revista científica “Nature Materials”.
Fuente imagen de portada: OLEDWorks
