Ce schéma montre la structure de base d'un OLED à base d'exciplex avec une couleur d'émission et une efficacité qui peuvent être contrôlées simplement en modifiant l'épaisseur de l'espaceur. Un exciplex se forme lorsqu'un trou dans l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) d'une molécule donneuse est attiré par un électron dans l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO) d'une molécule acceptrice. La lumière est émise lorsque l'électron libère de l'énergie sous forme de lumière et se transfère à travers la couche d'espacement vers la molécule donneuse, remplaçant ainsi l'électron manquant représenté par le trou. L'épaisseur de l'espaceur peut être utilisée pour modifier l'attraction entre le trou et l'électron et régler l'énergie de l'exciplex. Sans changer aucune des molécules, la couleur d'émission pouvait varier de l'orange au vert jaunâtre et l'efficacité était multipliée par huit en augmentant l'épaisseur de l'espaceur à 5 nm. Ce dispositif a été signalé pour la première fois dans l'article intitulé « Couplage à longue distance de paires électron-trou dans des couches donneur-accepteur organiques séparées dans l'espace » écrit par H. Nakanotani au Centre de recherche en photonique et électronique organiques (OPERA) de l'Université de Kyushu à Fukuoka, Japon, et collègues et publié en ligne le 26 février 2016 dans la revue Avancées scientifiques . Crédit :Hajime Nakanotani et William John Potscavage Jr.
Démontrer une stratégie qui pourrait constituer la base d'une nouvelle classe d'appareils électroniques aux propriétés réglables de manière unique, Les chercheurs de l'Université de Kyushu ont pu faire varier considérablement la couleur d'émission et l'efficacité des diodes électroluminescentes organiques basées sur des exciplexes simplement en modifiant la distance entre les molécules clés dans les dispositifs de quelques nanomètres.
Cette nouvelle façon de contrôler les propriétés électriques en modifiant légèrement l'épaisseur du dispositif au lieu des matériaux pourrait conduire à de nouveaux types de dispositifs électroniques organiques avec un comportement de commutation ou une émission de lumière qui réagit à des facteurs externes.
Les dispositifs électroniques organiques tels que les OLED et les cellules solaires organiques utilisent des films minces de molécules organiques pour les matériaux électriquement actifs, rendre possible des appareils flexibles et peu coûteux.
Un facteur clé déterminant les propriétés des dispositifs organiques est le comportement des paquets d'énergie électrique appelés excitons. Un exciton est constitué d'un électron négatif attiré par un trou positif, qui peut être considéré comme un électron manquant.
Dans les OLED, l'énergie de ces excitons est libérée sous forme de lumière lorsque l'électron perd de l'énergie et remplit la lacune du trou. Faire varier l'énergie des excitons, par exemple, changera la couleur d'émission.
Cependant, les excitons sont généralement localisés sur une seule molécule organique et étroitement liés avec des énergies de liaison d'environ 0,5 eV. Ainsi, des molécules entièrement nouvelles doivent généralement être conçues et synthétisées pour obtenir des propriétés différentes de ces excitons de type Frenkel, comme le rouge, vert, ou émission bleue pour les écrans.
Les chercheurs du Centre de recherche en photonique organique et en électronique (OPERA) de l'Université de Kyushu se sont plutôt concentrés sur un autre type d'exciton appelé exciplex, qui est formé par un trou et un électron situés sur deux molécules différentes au lieu de la même molécule.
En manipulant la distance moléculaire entre la molécule donneuse d'électrons (donneur) et la molécule acceptrice d'électrons (accepteur) qui portent le trou et l'électron de l'exciplex, respectivement, les chercheurs pourraient modifier les propriétés de ces excitons faiblement liés.
"Ce que nous avons fait est similaire à placer des feuilles de papier entre un aimant et un réfrigérateur, " a déclaré le professeur agrégé Hajime Nakanotani, auteur principal de l'article relatant ces résultats publié en ligne le 26 février 2016, dans la revue Avancées scientifiques .
"En augmentant l'épaisseur d'une couche extrêmement fine de molécules organiques insérées comme espaceur entre le donneur et l'accepteur, nous pourrions réduire l'attraction entre le trou et l'électron dans l'exciplex et ainsi influencer grandement l'énergie de l'exciplex, durée de vie, et la couleur et l'efficacité des émissions."
En effet, les changements peuvent être importants :en insérant une couche espaceur de seulement 5 nm d'épaisseur entre une couche donneuse et une couche acceptrice dans une OLED, la couleur d'émission est passée de l'orange au vert jaunâtre et l'efficacité d'émission lumineuse a augmenté de 700 %.
Pour que cela fonctionne, la molécule organique utilisée pour la couche d'espacement doit avoir une énergie d'excitation supérieure à celles du donneur et de l'accepteur, mais ces matériaux sont déjà largement disponibles.
Alors que la distance moléculaire est actuellement déterminée par l'épaisseur de la couche d'espacement déposée sous vide, les chercheurs étudient maintenant d'autres moyens de contrôler la distance.
"Cela nous donne un moyen puissant de varier considérablement les propriétés de l'appareil sans reconcevoir ou modifier aucun des matériaux, " a déclaré le professeur Chihaya Adachi, directeur d'OPERA. "À l'avenir, nous envisageons de nouveaux types de dispositifs à base d'excitons qui répondent à des forces externes comme la pression pour contrôler la distance et le comportement électrique. »
En outre, les chercheurs ont découvert que les exciplexes étaient encore formés lorsque l'espaceur avait 10 nm d'épaisseur, ce qui est long à l'échelle moléculaire.
"C'est l'une des premières preuves que les électrons et les trous pourraient encore interagir comme ça sur une si longue distance, " a commenté le professeur Adachi, "Cette structure peut donc également être un outil utile pour étudier et comprendre la physique des excitons afin de concevoir de meilleurs OLED et cellules solaires organiques à l'avenir."
« D'un point de vue scientifique et applicatif, nous sommes ravis de voir où nous mène cette nouvelle voie pour l'ingénierie des excitons et espérons établir une nouvelle catégorie d'électronique basée sur les excitons. »
