Forskare har upptäckt att halvledande molekyler med oparade elektroner, benämnda "radikaler" kan användas för att tillverka mycket effektiva organiska ljusemitterande dioder (OLED), utnyttja deras kvantmekaniska "spin"-egenskap för att övervinna effektivitetsbegränsningar för traditionella, icke-radikala material.

Radikaler är vanligtvis kända för sin höga kemiska reaktivitet och ofta skadliga effekter, från människors hälsa till ozonskiktet. Nu kan radikalbaserade OLED:er utgöra grunden för nästa generations displayer och ljustekniker.

Skriver in Natur , teamet från University of Cambridge och Jilin University beskriver hur stabiliserade radikaler bildar elektroniska tillstånd som kallas "dubletter", på grund av att spinkaraktären är antingen 'upp' eller 'ner'.

Att driva elektricitet genom dessa radikalbaserade OLED:er leder till bildandet av ljus-dubbelt exciterade tillstånd som avger djuprött ljus med nästan 100 % effektivitet. För traditionella föreningar (d.v.s. icke-radikaler utan en oparad elektron), kvantmekaniska spinn överväganden dikterar att laddningsinjektion bildar 25% ljusa-'singlet' och 75% mörka-'triplett'-tillstånd i OLED-drift. Radikaler utgör en elegant lösning på detta grundläggande spinnproblem som har bekymrat forskare ända sedan utvecklingen av OLED från 1980-talet.

Dr Emrys Evans, en huvudförfattare som arbetar i professor Sir Richard Friends grupp vid Cavendish Laboratory, sa "På framsidan av det, radikaler i OLED borde egentligen inte fungera, vilket gör våra resultat så överraskande. Radikalerna själva är ovanligt emissiva, och de fungerar i OLED med ovanlig fysik."

När den isoleras i en värdmatris och exciteras med en laser, radikalerna, atypiskt, har nära enhetseffektivitet för ljusemission. Det mycket emissiva beteendet översattes till mycket emitterande lysdioder, men med en annan twist:i enheterna, den elektriska strömmen injicerar elektroner i radikalens oparade elektronenerginivå, och drar ut elektroner från en lägre nivå, och en annan del av molekylen, för att bilda ljus-dubbelt exciterade tillstånd.

I framtiden, effektiva blått och grönt ljus radikal-baserade dioder kan dyka upp med ytterligare material innovation. Forskarna arbetar med att utnyttja radikaler bortom belysningstillämpningar, och förväntar sig att radikaler kommer att påverka andra grenar av organisk elektronikforskning.

Professor Feng Li från Jilin University är en besökare vid Cavendish Laboratory och motsvarande författare för arbetet. Han sa:"Samarbetet mellan universiteten och forskargrupperna har varit avgörande för framgången för detta arbete. I framtiden, Jag hoppas att vi kan visa mer radikalt baserade lösningar för organisk elektronik."