Le réglage de l'écart énergétique en mélangeant différentes molécules semi-conductrices pour optimiser les performances du dispositif est déjà une procédure établie pour les semi-conducteurs inorganiques, mais cela reste un défi pour leurs homologues biologiques. Maintenant, scientifiques de la TU Dresde, en coopération avec des chercheurs de la TU Munich, ainsi que l'Université de Würzburg, HU Berlin, et l'Université d'Ulm ont montré comment atteindre cet objectif.

Les semi-conducteurs organiques ont acquis une réputation de matériaux économes en énergie dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED) utilisées dans les écrans de grande surface. Dans ces applications et dans d'autres, comme les cellules solaires, un paramètre clé est l'écart énergétique entre les états électroniques. Il détermine la longueur d'onde de la lumière émise ou absorbée. L'ajustabilité continue de cet écart énergétique est souhaitable. En effet, pour les matériaux inorganiques, une méthode appropriée existe déjà :le mélange. Il est basé sur l'ingénierie de la bande interdite en substituant des atomes dans le matériau. Cela permet une accordabilité continue car, par exemple, dans les semi-conducteurs à l'arséniure de gallium et d'aluminium. Malheureusement, ceci n'est pas transférable aux semi-conducteurs organiques en raison de leurs caractéristiques physiques différentes et de leur paradigme de construction à base de molécules, rendant le réglage continu de la bande interdite beaucoup plus difficile.

Cependant, avec leurs dernières publications scientifiques au Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) et au cluster d'excellence "e-conversion" à TU Munich avec des partenaires de l'Université de Würzburg, HU Berlin, et l'Université d'Ulm ont, pour la première fois, réalisé l'ingénierie des écarts énergétiques pour les semi-conducteurs organiques par mélange.

Pour les semi-conducteurs inorganiques, les niveaux d'énergie peuvent être décalés l'un vers l'autre par des substitutions atomiques, réduisant ainsi la bande interdite ("band-gap engineering"). En revanche, les modifications de la structure des bandes en mélangeant des matériaux organiques ne peuvent que déplacer les niveaux d'énergie de manière concertée vers le haut ou vers le bas. Ceci est dû aux forts effets coulombiens qui peuvent être exploités dans les matériaux organiques, mais cela n'a aucun effet sur l'écart. « Il serait très intéressant de changer aussi le gap des matières organiques en mélangeant, pour éviter la longue synthèse de nouvelles molécules", déclare le professeur Karl Leo de la TU Dresden.

Les chercheurs ont trouvé un moyen non conventionnel de mélanger le matériau avec des mélanges de molécules similaires de tailles différentes. « La principale découverte est que toutes les molécules s'organisent selon des modèles spécifiques qui sont autorisés par leur forme et leur taille moléculaires », explique Frank Ortmann, professeur à la TU Munich et chef de groupe au Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresde). "Cela induit le changement souhaité de la constante diélectrique et de l'énergie de l'espacement du matériau."

Le groupe d'Ortmann a pu clarifier le mécanisme en simulant les structures des films mélangés et leurs propriétés électroniques et diélectriques. Un changement correspondant dans l'emballage moléculaire en fonction de la forme des molécules mélangées a été confirmé par des mesures de diffusion des rayons X, réalisée par l'Organic Devices Group du Prof. Stefan Mannsfeld au cfaed. Le travail expérimental et le dispositif de base ont été effectués par Katrin Ortstein et ses collègues du groupe du professeur Karl Leo, TU Dresde.

Les résultats de cette étude viennent d'être publiés dans la célèbre revue Matériaux naturels . Si cela prouve la faisabilité de ce type de stratégie d'ingénierie au niveau énergétique, son emploi sera exploré pour les dispositifs optoélectroniques à l'avenir.