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Los semiconductores orgánicos son materiales que se utilizan en diversos dispositivos electrónicos. La energía de enlace de los excitones es una propiedad importante que influye en el comportamiento de estos materiales.
Ahora los investigadores han utilizado técnicas espectroscópicas avanzadas para determinar con precisión estas energías para varios materiales semiconductores orgánicos con una alta precisión de 0,1 electronvoltios. Su estudio descubre conexiones inesperadas que darán forma al futuro de la optoelectrónica orgánica, influirán en los principios de diseño y encontrarán aplicaciones potenciales en materiales biorelacionados.
Los semiconductores orgánicos son una clase de materiales que encuentran aplicación en diversos dispositivos electrónicos debido a sus propiedades únicas. Una propiedad que influye en las propiedades optoelectrónicas de estos semiconductores orgánicos es su «energía de unión del excitón», es decir, la energía necesaria para descomponer un excitón en sus componentes negativos y positivos. Dado que las energías de enlace altas pueden tener efectos significativos en el funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos, son deseables energías de enlace bajas. Esto puede ayudar a reducir las pérdidas de energía en dispositivos como las células solares orgánicas. Si bien se han investigado varios métodos para diseñar materiales orgánicos con bajas energías de enlace, medir con precisión estas energías sigue siendo un desafío, principalmente debido a la falta de técnicas adecuadas de medición de energía.
Para avanzar en la investigación en esta área, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Hiroyuki Yoshida de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba (Japón) ha arrojado luz sobre las energías de unión de excitones de los semiconductores orgánicos. Su estudio fue publicado recientemente en línea en La revista de letras de química física el 11 de diciembre de 2023. La Sra. Ai Sugie de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba, el Dr. Kyohei Nakano y el Dr. Keisuke Tajima del Centro de Ciencias de la Materia Emergente de RIKEN y el Prof. Itaru Osaka del Departamento de Química Aplicada de la Universidad de Hiroshima participaron en la realización de este estudio junto con el Prof. Yoshida. Hablando con nosotros sobre su estudio, la Prof. Yoshida dice: “Este estudio reveló una naturaleza previamente imprevista de las energías de unión de excitones en los semiconductores orgánicos. Dada la naturaleza fundamental de nuestra investigación, esperamos impactos sostenidos y a largo plazo, tanto visibles como invisibles, en aplicaciones del mundo real”.
El equipo primero midió experimentalmente las energías de unión de excitones para 42 semiconductores orgánicos, incluidos 32 materiales de células solares, siete materiales orgánicos de diodos emisores de luz y tres compuestos cristalinos de pentaceno. Para calcular las energías de unión de los excitones, los investigadores calcularon la diferencia de energía entre el excitón unido y su estado de «portador libre». Mientras que el primero viene dado por la “brecha óptica” asociada con la absorción y emisión de luz, el segundo está dado por la “brecha de transporte”, que denota la energía necesaria para mover un electrón desde el nivel de energía ligada más alto hasta el nivel de energía libre más bajo para mover nivel.
La determinación experimental del espacio óptico incluyó experimentos de fotoluminiscencia y fotoabsorción. Mientras tanto, la brecha de transporte se calculó mediante espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta y espectroscopia de fotoelectrones inversa de baja energía, una técnica desarrollada por el grupo de investigación. El uso de este marco permitió al equipo de investigación determinar las energías de unión de los excitones con una alta precisión de 0,1 electronvoltios (eV). Los investigadores creen que este nivel de precisión puede ayudar a discutir la naturaleza excitónica de los semiconductores orgánicos con mucha mayor certeza que estudios anteriores.
Además, los investigadores observaron un aspecto inesperado de la naturaleza de las energías de unión de los excitones. Descubrieron que la energía de unión del excitón es una cuarta parte de la banda prohibida de transporte, independientemente de los materiales involucrados.
Los resultados de este estudio darán forma a los principios básicos de la optoelectrónica orgánica y también permitirán posibles aplicaciones prácticas. Por ejemplo, se espera que los principios de diseño de dispositivos optoelectrónicos orgánicos cambien positivamente. Además, dado el potencial de estos resultados para influir en conceptos dentro del campo, los investigadores creen que es probable que estos resultados también se incorporen en futuros libros de texto.
El profesor Yoshida comparte sus pensamientos finales y dice: “Nuestro estudio contribuye a avanzar en la comprensión actual del mecanismo de los excitones en los semiconductores orgánicos. Además, estos conceptos no sólo se limitan a los semiconductores orgánicos, sino que también pueden aplicarse a una variedad de materiales de base molecular, como los materiales biorelacionados».
Fuente: https://www.cn.chiba-u.jp/en
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