Kunstig kontrol af exciplexer åbner muligheder for ny elektronik

Demonstrerer en strategi, der kunne danne grundlag for en ny klasse af elektroniske enheder med unikke tunerbare egenskaber, forskere ved Kyushu University var i stand til i vid udstrækning at variere emissionsfarven og effektiviteten af ​​organiske lysdioder baseret på exciplekser blot ved at ændre afstanden mellem nøglemolekyler i enhederne med nogle få nanometer.

Denne nye måde at kontrollere elektriske egenskaber på ved at ændre enhedens tykkelse en smule i stedet for materialerne kan føre til nye former for organiske elektroniske enheder med koblingsadfærd eller lysemission, der reagerer på eksterne faktorer.

Organiske elektroniske enheder såsom OLED'er og organiske solceller bruger tynde film af organiske molekyler til de elektrisk aktive materialer, gør fleksible og billige enheder mulige.

En nøglefaktor, der bestemmer egenskaberne af organiske enheder, er adfærden af ​​pakker af elektrisk energi kaldet excitoner. En exciton består af en negativ elektron tiltrukket af et positivt hul, som kan opfattes som en manglende elektron.

I OLED'er, energien i disse excitoner frigives som lys, når elektronen mister energi og udfylder hullets tomrum. Variering af excitonenergien, for eksempel, vil ændre emissionsfarven.

Imidlertid, excitoner er almindeligvis lokaliseret på et enkelt organisk molekyle og tæt bundet med bindingsenergier på omkring 0,5 eV. Dermed, helt nye molekyler skal normalt designes og syntetiseres for at opnå forskellige egenskaber fra disse Frenkel-type excitoner, såsom rød, grøn, eller blå emission for skærme.

Forskere ved Kyushu University's Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) fokuserede i stedet på en anden type exciton kaldet en exciplex, som er dannet af et hul og en elektron placeret på to forskellige molekyler i stedet for det samme molekyle.

Ved at manipulere den molekylære afstand mellem det elektrondonerende molekyle (donor) og det elektronaccepterende molekyle (acceptor), der bærer exciplexets hul og elektron, henholdsvis, forskerne kunne ændre egenskaberne af disse svagt bundne excitoner.

"Det, vi gjorde, svarer til at placere ark papir mellem en magnet og et køleskab, " sagde lektor Hajime Nakanotani, hovedforfatter af papiret, der rapporterer om disse resultater, offentliggjort online 26. februar, 2016, i journalen Videnskabens fremskridt .

"Ved at øge tykkelsen af ​​et ekstremt tyndt lag af organiske molekyler indsat som en spacer mellem donor og acceptor, vi kunne reducere tiltrækningen mellem hullet og elektronen i exciplexet og derved i høj grad påvirke exciplexens energi, livstid, og emissionsfarve og effektivitet."

Ja, ændringerne kan være store:ved at indsætte et afstandslag med en tykkelse på kun 5 nm mellem et donorlag og et acceptorlag i en OLED, emissionsfarven skiftede fra orange til gullig grøn, og lysemissionseffektiviteten steg 700 %.

For at dette skal virke, det organiske molekyle, der anvendes til spacerlaget, skal have en excitationsenergi, der er højere end donorens og acceptorens, men sådanne materialer er allerede almindeligt tilgængelige.

Mens den molekylære afstand i øjeblikket er bestemt af tykkelsen af ​​det vakuumafsatte spacerlag, forskerne undersøger nu andre måder at kontrollere afstanden på.

"Dette giver os en effektiv måde at variere enhedens egenskaber i høj grad uden at redesigne eller ændre nogen af ​​materialerne, " sagde professor Chihaya Adachi, direktør for OPERA. "I fremtiden, vi forestiller os nye typer exciton-baserede enheder, der reagerer på eksterne kræfter som tryk for at kontrollere afstanden og elektrisk adfærd."

Ud over, forskerne fandt ud af, at exciplexerne stadig blev dannet, når spaceren var 10 nm tyk, som er lang på molekylær skala.

"Dette er noget af det første bevis på, at elektroner og huller stadig kunne interagere på denne måde over så lang en afstand, " kommenterede professor Adachi, "så denne struktur kan også være et nyttigt værktøj til at studere og forstå excitonernes fysik for at designe bedre OLED'er og organiske solceller i fremtiden."

"Fra både videnskabelige og anvendelsesmæssige synspunkter, vi er spændte på at se, hvor denne nye vej for exciton-teknik fører os, og håber at etablere en ny kategori af exciton-baseret elektronik."