La tecnología OLED (Organic Light Emitting Diode) se está consolidando como uno de los pilares en el desarrollo de dispositivos de visualización, aunque su aplicación en el ámbito de la iluminación convencional aún se encuentra en una fase emergente. Su capacidad para emitir luz a partir de compuestos orgánicos, sumada a su flexibilidad, delgadez y elevada eficiencia, la convierten en una alternativa con un enorme potencial. Por ello, numerosos grupos de investigación en todo el mundo trabajan activamente para comprender en profundidad sus principios físicos y químicos, con el objetivo de optimizar y ampliar las posibilidades de esta prometedora tecnología.

El rendimiento de los dispositivos OLED está directamente vinculado a la comprensión y control de los procesos físico-químicos que ocurren a nivel molecular. Uno de los fenómenos fundamentales en este contexto es la dinámica de excitones: partículas cuasiestables generadas por la excitación electrónica, cuya correcta gestión permite maximizar la eficiencia luminosa del dispositivo.

Un equipo de investigación del Centro de Investigación en Fotónica y Electrónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu, liderado por el profesor Chihaya Adachi, ha desarrollado un nuevo modelo analítico que describe con precisión la cinética de estos excitones. Los resultados, recientemente publicados en Nature Communications, ofrecen una herramienta valiosa para diseñar materiales emisores con mejores prestaciones y para reducir la brecha entre predicciones teóricas y observaciones experimentales.

Fluorescencia orgánica

En un OLED, la luz se genera mediante un fenómeno conocido como fotoluminiscencia, que implica la absorción y posterior emisión de energía por parte de moléculas orgánicas. El proceso comienza cuando un electrón en una molécula es excitado a un nivel energético superior. Al retornar a su estado fundamental, libera esa energía en forma de luz.

No obstante, este proceso puede seguir distintos caminos dependiendo del estado cuántico en el que se encuentre el excitón. Si el par electrón-hueco se encuentra en un estado singlete (S1), la transición al estado fundamental permite una emisión rápida y eficiente de luz, es decir, fluorescencia. En cambio, si el excitón se encuentra en un estado triplete (T1), la transición es más lenta y menos eficiente, lo que limita el rendimiento del OLED.

De forma natural, solo una fracción (aproximadamente el 25 %) de los excitones generados son singletes. Los tripletes, por tanto, representan un 75 % del potencial luminiscente desperdiciado… a menos que puedan convertirse eficazmente en singletes.

Este principio es la base de una de las innovaciones más importantes en la física de materiales OLED: la fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF, por sus siglas en inglés). En los materiales TADF, el diseño molecular permite que los excitones en el estado T1 puedan ascender térmicamente al estado S1 y así contribuir a la emisión luminosa.

La clave para este proceso reside en minimizar la diferencia de energía entre ambos estados, conocida como ΔEst (delta Est). Cuanto menor sea esta diferencia, más eficiente será la conversión de T1 a S1, y mayor será la eficiencia cuántica interna del dispositivo.

Limitaciones de los métodos actuales y el desafío del modelado

Determinar con precisión el valor de ΔEst en materiales TADF ha sido una de las piedras angulares en la investigación OLED. Tradicionalmente, esta diferencia se estima mediante cálculos de química cuántica, como los métodos DFT (Density Functional Theory), que permiten prever las configuraciones electrónicas de una molécula.

Sin embargo, estos métodos presentan limitaciones importantes. Por un lado, su precisión depende de suposiciones simplificadas, necesarias para reducir el coste computacional. Por otro, los resultados obtenidos no siempre concuerdan con los datos experimentales, debido a la complejidad de los estados excitados y las múltiples rutas de relajación posibles.

Tal como explica el investigador principal del estudio, el profesor Chihaya Adachi:

“Cuando desarrollamos nuevos materiales TADF, empleamos cálculos cuánticos para prever ΔEst. Pero debido a que no es viable calcular el comportamiento de todos los electrones con precisión, se introducen suposiciones. Esto genera diferencias entre las predicciones teóricas y los resultados experimentales.”

Para superar esta limitación, el equipo de la Universidad de Kyushu ha desarrollado un modelo analítico que, a partir de principios fundamentales de la fisicoquímica, describe con mayor precisión la transferencia de excitones entre los niveles singlete y triplete. Este enfoque reduce la dependencia de cálculos aproximados y ofrece un marco más robusto para la caracterización de materiales emisores.

Una nueva herramienta analítica basada en química física

El modelo propuesto se fundamenta en teorías cinéticas avanzadas y considera explícitamente las rutas de conversión entre los diferentes estados excitados. A diferencia de enfoques anteriores, no requiere un conocimiento detallado del comportamiento electrónico completo, sino que trabaja con parámetros clave derivados de experimentos y observaciones físicas.

Como detalla el profesor Youichi Tsuchiya, primer autor del trabajo:

“Nuestro modelo considera las transferencias de excitones desde estados tripletes a singletes incorporando aspectos que normalmente se obvian por complejidad computacional. Así logramos una mejor correlación entre los resultados teóricos y experimentales.”

Este avance es especialmente relevante en la exploración de nuevos materiales TADF, cuya eficiencia puede depender de ligeras variaciones estructurales. La posibilidad de contar con un modelo predictivo más preciso permitirá reducir el número de ensayos experimentales, optimizar el diseño de materiales desde las primeras etapas y acelerar el desarrollo de dispositivos OLED con mayores prestaciones.

Aplicaciones futuras: desde materiales de emisión azul hasta predicción con inteligencia artificial

Uno de los retos actuales en el desarrollo de OLEDs es lograr materiales TADF eficientes para la emisión azul, ya que los niveles energéticos implicados hacen más difícil la reducción de ΔEst. En este sentido, el nuevo modelo puede resultar clave para evaluar propuestas moleculares antes de su síntesis y, por tanto, guiar la investigación en direcciones más prometedoras.

Además, el equipo de la Universidad de Kyushu contempla integrar este modelo en algoritmos de predicción asistidos por inteligencia artificial. La idea es que, entrenando redes neuronales con los datos obtenidos mediante el modelo analítico, se pueda prever el comportamiento excitónico de nuevas moléculas antes incluso de ser sintetizadas.

“Nuestro método será aplicable a otros tipos de materiales TADF. Queremos ir más allá y explorar cómo la inteligencia artificial puede ayudarnos a predecir con precisión las propiedades excitónicas de nuevos materiales”, concluye Adachi. 

Imagen de portada: Chihaya Adachi, Universidad Youichi Tsuchiya/Kyushu