Denna schematik visar grundstrukturen för en exciplexbaserad OLED med utsläppsfärg och effektivitet som kan kontrolleras helt enkelt genom att ändra distansens tjocklek. En exciplex bildas när ett hål i den högsta ockuperade molekylära orbitalen (HOMO) i en givarmolekyl lockas till en elektron i den lägsta obebodda molekylära orbitalen (LUMO) i en acceptormolekyl. Ljus avges när elektronen släpper ut energi som ljus och överförs över distansskiktet till givarmolekylen, sålunda ersätter den saknade elektronen representerad av hålet. Distansens tjocklek kan användas för att ändra attraktionen mellan hålet och elektronen och justera exciplexenergin. Utan att ändra någon av molekylerna, utsläppsfärgen kan varieras från orange till gulgrön och effektiviteten förbättras åtta gånger genom att öka distansens tjocklek till 5 nm. Den här enheten rapporterades först i tidningen med titeln 'Long-range coupling of electron-hole pair in spatially separate organic donor-acceptor levels' skriven av H. Nakanotani vid Kyushu University Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) i Fukuoka, Japan, och kollegor och publicerade online 26 februari, 2016 i tidningen Vetenskapliga framsteg . Upphovsman:Hajime Nakanotani och William John Potscavage Jr.
Demonstrera en strategi som kan ligga till grund för en ny klass av elektroniska enheter med unikt justerbara egenskaper, forskare vid Kyushu universitet kunde mycket variera utsläppsfärgen och effektiviteten hos organiska ljusemitterande dioder baserat på exciplexer helt enkelt genom att ändra avståndet mellan nyckelmolekyler i enheterna med några nanometer.
Detta nya sätt att kontrollera elektriska egenskaper genom att något ändra enhetstjockleken i stället för materialen kan leda till nya typer av organiska elektroniska enheter med kopplingsbeteende eller ljusemission som reagerar på yttre faktorer.
Organiska elektroniska enheter som OLED och organiska solceller använder tunna filmer av organiska molekyler för de elektriskt aktiva materialen, möjliggör flexibla och billiga enheter.
En nyckelfaktor som bestämmer egenskaperna hos organiska enheter är beteendet hos paket med elektrisk energi som kallas excitoner. En exciton består av en negativ elektron som dras till ett positivt hål, som kan ses som en saknad elektron.
I OLED, energin i dessa excitoner frigörs som ljus när elektronen tappar energi och fyller hålets tomrum. Varierar excitonenergin, till exempel, kommer att ändra utsläppsfärgen.
Dock, excitoner är vanligtvis lokaliserade på en enda organisk molekyl och tätt bundna med bindningsenergier på cirka 0,5 eV. Således, helt nya molekyler måste vanligtvis utformas och syntetiseras för att erhålla olika egenskaper från dessa Frenkel-typ excitoner, som rött, grön, eller blå emission för displayer.
Forskare vid Kyushu University Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) fokuserade istället på en annan typ av exciton som kallas exciplex, som bildas av ett hål och en elektron belägen på två olika molekyler istället för samma molekyl.
Genom att manipulera det molekylära avståndet mellan elektrondonerande molekyl (donator) och elektronmottagande molekyl (acceptor) som bär exciplexens hål och elektron, respektive, forskarna kunde ändra egenskaperna hos dessa svagt bundna excitoner.
"Det vi gjorde liknar att placera pappersark mellan en magnet och ett kylskåp, "säger docent Hajime Nakanotani, huvudförfattare till tidningen som rapporterar dessa resultat publicerade online 26 februari, 2016, i tidningen Vetenskapliga framsteg .
"Genom att öka tjockleken på ett extremt tunt lager av organiska molekyler som sätts in som en distans mellan donatorn och acceptorn, vi kunde minska attraktionen mellan hålet och elektronen i exciplexen och därigenom kraftigt påverka exciplexens energi, livstid, och utsläppsfärg och effektivitet. "
Verkligen, förändringarna kan vara stora:genom att sätta in ett distansskikt med en tjocklek av endast 5 nm mellan ett donatorlager och ett acceptorskikt i en OLED, utsläppsfärgen skiftade från orange till gulgrönt och ljusutsläppseffektiviteten ökade med 700%.
För att detta ska fungera, den organiska molekylen som används för distansskiktet måste ha en excitationsenergi högre än donatorns och acceptorns, men sådant material är redan allmänt tillgängligt.
Medan molekylavståndet för närvarande bestäms av tjockleken på det vakuumavlagrade distansskiktet, forskarna undersöker nu andra sätt att kontrollera avståndet.
"Detta ger oss ett kraftfullt sätt att kraftigt variera enhetens egenskaper utan att göra om eller ändra något av materialet, "sade professor Chihaya Adachi, chef för OPERA. "I framtiden, vi föreställer oss nya typer av excitonbaserade enheter som reagerar på yttre krafter som tryck för att kontrollera avståndet och det elektriska beteendet. "
Dessutom, forskarna fann att exciplexerna fortfarande bildades när distansen var 10 nm tjock, som är lång i molekylskala.
"Detta är några av de första bevisen på att elektroner och hål fortfarande kan interagera så här över så långa avstånd, "kommenterade professor Adachi, "så den här strukturen kan också vara ett användbart verktyg för att studera och förstå fysik för excitoner för att designa bättre OLED och organiska solceller i framtiden."
"Ur både vetenskaplig och tillämpningssynpunkt, Vi är glada över att se vart denna nya väg för exciton-teknik tar oss och hoppas kunna etablera en ny kategori av excitonbaserad elektronik. "
