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Ajuste de la brecha energética: un enfoque novedoso para o

by notiulti

imagen: Variar la proporción de moléculas 3T (primer plano) y moléculas 6T (indicadas en el fondo) en la mezcla permite ajustar la brecha continuamente.
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Crédito: Sebastian Hutsch, Frank Ortmann

Los semiconductores orgánicos se han ganado una reputación como materiales energéticamente eficientes en diodos emisores de luz orgánicos (OLED) que se emplean en pantallas de gran superficie. En estas y otras aplicaciones, como las células solares, un parámetro clave es la brecha de energía entre los estados electrónicos. Determina la longitud de onda de la luz que se emite o absorbe. Es deseable la capacidad de ajuste continua de esta brecha de energía. De hecho, para los materiales inorgánicos ya existe un método apropiado: la denominada mezcla. Se basa en la ingeniería de la banda prohibida mediante la sustitución de átomos en el material. Esto permite una sintonización continua como, por ejemplo, en los semiconductores de arseniuro de galio y aluminio. Desafortunadamente, esto no es transferible a los semiconductores orgánicos debido a sus diferentes características físicas y su paradigma de construcción basado en moléculas, lo que hace que el ajuste continuo de la banda prohibida sea mucho más difícil.

Sin embargo, con su última publicación, científicos del Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) y del Cluster of Excellence “e-conversion” en TU Munich junto con socios de la Universidad de Würzburg, HU Berlín y la Universidad de Ulm para el por primera vez se realizó una ingeniería de brecha de energía para semiconductores orgánicos mediante mezcla.

Para los semiconductores inorgánicos, los niveles de energía pueden desplazarse entre sí mediante sustituciones atómicas, reduciendo así la banda prohibida (“ingeniería de banda prohibida”). Por el contrario, las modificaciones de la estructura de la banda mediante la mezcla de materiales orgánicos solo pueden cambiar los niveles de energía de manera concertada hacia arriba o hacia abajo. Esto se debe a los fuertes efectos de Coulomb que pueden explotarse en materiales orgánicos, pero esto no tiene ningún efecto sobre la brecha. “Sería muy interesante cambiar también la brecha de materiales orgánicos mediante la mezcla, para evitar la síntesis prolongada de nuevas moléculas”, dice el profesor Karl Leo de TU Dresden.

Los investigadores ahora encontraron una forma poco convencional al mezclar el material con mezclas de moléculas similares que son de diferente tamaño. “El hallazgo clave es que todas las moléculas se organizan en patrones específicos permitidos por su forma y tamaño molecular”, explica Frank Ortmann, profesor de TU Munich y líder de grupo en el Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden). “Esto induce el cambio deseado en la constante dieléctrica del material y en la energía de la brecha”.

El grupo de Frank Ortmann pudo aclarar el mecanismo simulando las estructuras de las películas mezcladas y sus propiedades electrónicas y dieléctricas. Un cambio correspondiente en el empaquetamiento molecular dependiendo de la forma de las moléculas mezcladas fue confirmado por mediciones de dispersión de rayos X, realizadas por el Grupo de Dispositivos Orgánicos del Prof. Stefan Mannsfeld en cfaed. Katrin Ortstein y sus colegas del grupo del profesor Karl Leo, TU Dresden, realizaron el trabajo principal experimental y del dispositivo.

Los resultados de este estudio se acaban de publicar en la reconocida revista Materiales de la naturaleza. Si bien esto demuestra la viabilidad de este tipo de estrategia de ingeniería a nivel de energía, se explorará su empleo para dispositivos optoelectrónicos en el futuro.

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Publicación: Ingeniería de banda prohibida en películas semiconductoras orgánicas mezcladas basadas en interacciones dieléctricas. Katrin Ortstein, Sebastian Hutsch, Mike Hambsch, Kristofer Tvingstedt, Berthold Wegner, Johannes Benduhn, Jonas Kublitski, Martin Schwarze, Sebastian Schellhammer, Felix Talnack, Astrid Vogt, Peter Bäuerle, Norbert Koch, Stefan CB Mannsfeld, Hans Klee Karlmann y Frank Ortmann León. Materiales de la naturaleza Publicado online: 10 de junio de 2021

DOI: 10.1038 / s41563-021-01025-z

Enlace: https://www.nature.com/articles/s41563-021-01025-z

Esta investigación fue financiada por la Fundación de Investigación Alemana (DFG) y en parte por el Clúster de Excelencia e-conversión a través de la Estrategia de Excelencia de Alemania.

Consultas de los medios:

Prof. Karl Leo

Centro Integrado de Dresde de Física Aplicada y Materiales Fotónicos

TU Dresde

Tel. +49 351 463-37533

[email protected]

http://www.iapp.de

Prof. Frank Ortmann

Departamento de Química

TU Múnich

Tel .: +49 89 289 13611

[email protected]

https://www.department.ch.tum.de/tms


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