24.06.2022 - Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences

No sólo brillan los diamantes, también brillan los hidrocarburos aromáticos policíclicos dopados con nitrógeno

Nuevas moléculas para su aplicación como emisores OLED

Las pantallas electrónicas han avanzado mucho desde los primeros días de los tubos de rayos catódicos. Los dispositivos de visualización modernos, basados en diodos orgánicos emisores de luz (OLED), son lo suficientemente compactos como para acompañarnos allá donde vayamos, en dispositivos portátiles como smartphones y smartwatches. Sin embargo, es necesario seguir mejorando el rendimiento de las pantallas basadas en OLED, especialmente en lo que respecta a la eficiencia energética y la pureza del color, que repercuten directamente en el consumo de energía. Recientemente, un equipo de investigadores de los dos institutos de la Academia Polaca de Ciencias (PAS), el Instituto de Química Física PAS y el Instituto de Química Orgánica PAS, y de la Universidad Tecnológica de Silesia, ha propuesto una serie de nuevos compuestos químicos para servir de emisores de los OLED, lo que nos acerca un poco más a las tecnologías robustas y sostenibles de la electrónica portátil. Veamos con más detalle su descubrimiento.

Las pantallas visuales electrónicas son omnipresentes en nuestra vida cotidiana, hasta un punto que habría sido inimaginable incluso hace unas décadas. Hasta principios de la década de 2010, la mayoría de los dispositivos portátiles utilizaban pantallas de cristal líquido (LCD), que están fundamentalmente limitadas por el hecho de que no producen luz propia, sino que filtran la luz emitida por una luz de fondo. Por ello, las pantallas LCD son relativamente voluminosas y tienden a sufrir un escaso contraste entre la luz y la oscuridad. En cambio, las pantallas basadas en OLED emiten luz por sí mismas, sin necesidad de retroiluminación. Por tanto, pueden ser más delgadas y ligeras y lograr un mayor contraste que las LCD.

El componente emisor de luz de un OLED es una capa semiconductora orgánica intercalada entre dos electrodos, uno de los cuales es transparente para dejar pasar la luz. El color de la luz emitida depende de la composición de la capa de semiconductores: diferentes compuestos emisores dan lugar a diferentes colores. Actualmente, los compuestos emisores más utilizados son los compuestos heteroaromáticos y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que dan lugar a una emisión brillante, pero a costa de una baja pureza de color. Además, muchos de estos compuestos adolecen de una escasa estabilidad química y térmica, lo que complica notablemente su procesamiento y contribuye al elevado coste de su fabricación. Por tanto, todavía hay mucho margen de mejora en el diseño de los compuestos emisores.

Ante estos retos, científicos de tres importantes instituciones de investigación de Polonia se han unido para proponer nuevas moléculas para su aplicación como emisores OLED. Su consorcio de investigación fue iniciado por el Dr. Marcin Lindner, del Instituto de Química Orgánica de la Academia Polaca de Ciencias. El proyecto se puso en marcha cuando diseñó una serie de posibles emisores nuevos basados en moléculas aromáticas que donan y aceptan electrones, unidas por un anillo antiaromático de siete miembros. La inspiración para este diseño surgió de la observación de que muchos emisores existentes presentan un enlace directo entre las moléculas donadoras y aceptoras, pero esa disposición conlleva ciertas ventajas. ¿Qué pasaría si el donante y el aceptor estuvieran conectados por un anillo antiaromático? Otro aspecto innovador del diseño del Dr. Lindner es la elección del grupo donador de electrones: una fracción de PAH dopada con nitrógeno (o N). El dopaje con nitrógeno hace que el esqueleto molecular adopte una geometría ligeramente cóncava, en forma de cuenco, que ayuda a reducir las interacciones de apilamiento no deseadas en la fase condensada.

El Dr. Lindner afirma: "El diseño básico de nuestros HAPs dopados con N resultó ser bastante flexible, y sus propiedades responden muy bien a la elección del grupo que acepta los electrones. Por ejemplo, podemos ajustar el mecanismo de emisión entre la fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF) y la fosforescencia a temperatura ambiente (RTP). Esto nos da un alto grado de control sobre el perfil de emisión".

Después de que el grupo de investigación del Dr. Lindner sintetizara los HAPs dopados con N, el prof. Przemysław Data, espectroscopista de la Universidad Tecnológica de Silesia. En particular, el grupo de investigación del prof. Data registró los espectros de emisión de los HAPs dopados con N en varias condiciones y midió los niveles de energía de los orbitales moleculares.

Además, el grupo del prof. Data fabricó prototipos de OLED que incorporaban los nuevos compuestos y midió sus eficiencias cuánticas externas (EQE). Se comprobó que el HAP dopado con N que mejor funcionaba alcanzaba una EQE del 12%, superior a la de los emisores donante-aceptor existentes de tipo similar.

El trabajo experimental se complementó con cálculos de química cuántica realizados por el equipo dirigido por el Dr. Adam Kubas, químico teórico del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias. El Dr. Kubas y su grupo realizaron simulaciones informáticas de última generación de las estructuras y propiedades de los HAPs dopados con N. Sus simulaciones proporcionaron algunas ideas que habrían sido inaccesibles sólo con el experimento.

"En términos de estructura electrónica, los HAPs dopados con N son bastante exóticos. La presencia de un anillo de siete miembros entre el donante y el aceptor desacopla parcialmente, aunque no completamente, a ambos. En consecuencia, estos compuestos presentan brechas de energía singlete-triple pequeñas pero positivas, lo que facilita la emisión por TADF". - explica Michał Kochman, investigador postdoctoral del grupo del Dr. Kubas.

Los resultados completos de este estudio se publicaron en Angewandte Chemie. Sin embargo, la historia no acaba aquí: el consorcio de investigación sigue esforzándose por desarrollar emisores mejorados para pantallas OLED de bajo consumo. El equipo cree que pronto oiremos hablar de la segunda generación de HAPs dopados con N con características aún mejores. La razón principal de los rápidos avances logrados es la participación de especialistas de varias áreas diferentes que aportan diversas habilidades y conocimientos.

El Dr. Kubas está de acuerdo: "La ciencia de alta calidad necesita una actitud interdisciplinar. En nuestro proyecto de investigación, la estrecha colaboración entre químicos experimentales y teóricos ha creado algunos materiales nuevos y prometedores con excelentes propiedades optoelectrónicas. Sobre todo, hemos podido demostrar un paradigma completamente nuevo para el diseño de HAPs fuertemente emisores de N".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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