Sintonización de la brecha energética: Un nuevo enfoque para los semiconductores orgánicos
Lo que ya está establecido para los semiconductores inorgánicos sigue siendo un reto para sus homólogos orgánicos: Ajustar la brecha energética mediante la mezcla de diferentes moléculas semiconductoras para optimizar el rendimiento de los dispositivos. Ahora, científicos de la Universidad Técnica de Dresde, en colaboración con investigadores de la Universidad Técnica de Múnich, así como de la Universidad de Würzburg, la Universidad de Berlín y la Universidad de Ulm, han demostrado cómo alcanzar este objetivo.
La variación de la proporción de moléculas de 3T (en primer plano) y de 6T (indicada en el fondo) en la mezcla permite afinar el hueco de forma continua.
Sebastian Hutsch, Frank Ortmann
Los semiconductores orgánicos se han ganado una reputación como materiales energéticamente eficientes en los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) que se emplean en pantallas de gran superficie. En estas y otras aplicaciones, como las células solares, un parámetro clave es la brecha energética entre estados electrónicos. Determina la longitud de onda de la luz emitida o absorbida. La posibilidad de ajustar continuamente esta brecha energética es deseable. De hecho, para los materiales inorgánicos ya existe un método apropiado: la llamada mezcla. Se basa en la ingeniería de la brecha de banda mediante la sustitución de átomos en el material. Esto permite una sintonización continua como, por ejemplo, en los semiconductores de arseniuro de aluminio y galio. Desgraciadamente, esto no es transferible a los semiconductores orgánicos debido a sus diferentes características físicas y a su paradigma de construcción basado en moléculas, lo que hace que la sintonización continua de la brecha de banda sea mucho más difícil.
Sin embargo, con su última publicación, los científicos del Centro para el Avance de la Electrónica de Dresde (cfaed, TU Dresden) y del Clúster de Excelencia "e-conversión" de TU Munich, junto con socios de la Universidad de Würzburg, la HU de Berlín y la Universidad de Ulm, han logrado por primera vez la ingeniería de brecha energética para semiconductores orgánicos mediante la mezcla.
En el caso de los semiconductores inorgánicos, los niveles de energía pueden desplazarse unos hacia otros mediante sustituciones atómicas, reduciendo así la brecha de banda ("ingeniería de brecha de banda"). En cambio, las modificaciones de la estructura de banda mediante la mezcla de materiales orgánicos sólo pueden desplazar los niveles de energía de forma concertada hacia arriba o hacia abajo. Esto se debe a los fuertes efectos de Coulomb que pueden aprovecharse en los materiales orgánicos, pero esto no tiene ningún efecto sobre la brecha. "Sería muy interesante cambiar también el hueco de los materiales orgánicos mediante la mezcla, para evitar la larga síntesis de nuevas moléculas", afirma el profesor Karl Leo, de la Universidad Técnica de Dresde.
Los investigadores han encontrado ahora una forma no convencional de hacerlo, mezclando el material con moléculas similares de distinto tamaño. "El hallazgo clave es que todas las moléculas se organizan en patrones específicos que son permitidos por su forma y tamaño molecular", explica Frank Ortmann, profesor de la Universidad Técnica de Múnich y jefe de grupo del Centro para el Avance de la Electrónica de Dresde (cfaed, TU Dresden). "Esto induce el cambio deseado en la constante dieléctrica y la energía de separación del material".
El grupo de Frank Ortmann pudo aclarar el mecanismo simulando las estructuras de las películas mezcladas y sus propiedades electrónicas y dieléctricas. Las mediciones de dispersión de rayos X, realizadas por el Grupo de Dispositivos Orgánicos del profesor Stefan Mannsfeld en el cfaed, confirmaron la existencia de un cambio correspondiente en el empaquetamiento molecular en función de la forma de las moléculas mezcladas. El núcleo del trabajo experimental y de dispositivos fue realizado por Katrin Ortstein y sus colegas del grupo del profesor Karl Leo, de la Universidad Técnica de Dresde.
Los resultados de este estudio acaban de ser publicados en la prestigiosa revista "Nature Materials". Esto demuestra la viabilidad de este tipo de estrategia de ingeniería a nivel energético, y en el futuro se explorará su empleo en dispositivos optoelectrónicos.
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Publicación original
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 C. B. Mannsfeld, Hans Kleemann, Frank Ortmann and Karl Leo.; "Band gap engineering in blended organic semiconductor films based on dielectric interactions"; Nature Materials; 2021
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