Elaboración de diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs) con eficiencia óptica mejorada a partir de la incorporación de cristales coloidales.

Project: Research

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Debido a factores tanto ambientales como económicos, la producción de sistemas de iluminación y de pantallas planas está condicionada a la generación de nuevas tecnologías que permitan aumentar la eficiencia de dispositivos emisores de luz. En la pasada década, el desarrollo de dispositivos basados en materiales orgánicos tales como OLED, celdas solares, celdas electroquímicas, memorias orgánicas y transistores de efecto de campo (OFET) fue impulsado por los grandes avances hechos en la ciencia de materiales orgánicos.[11 Estos avances han sido posibles por el dominio de técnicas de síntesis y funcionalización de moléculas orgánicas conjugadas y polímeros para aplicaciones en electrónica orgánica [12, con un extenso rango en valores de brecha prohibida (gap óptico), lo cual abre un universo de posibilidades en emisión y absorción de colores. De igual manera, el dominio de las técnicas de dopado molecular ha hecho posible variar la conductividad de semiconductores orgánicos de manera controlada.[13 La eficiencia de OLED ha avanzado hasta el punto de poder ser manejada por transistores de silicio amorfo en pantallas de matriz activa, y teniendo en cuenta que la movilidad en OFET ha alcanzado valores similares a los de silicio amorfo (~1 cm2V-1s-1) se ha pensado incluso en la posibilidad de integrar las funcionalidades de ambos tipos de dispositivos en uno totalmente novedoso: el OLEFET, lo cual permitiría fabricar pantallas OLED de matriz activa, microelectrónica flexible de gran área y bajo costo, así como electrónica híbrida. [14 El éxito de esta prometedora tecnología emergente de OLED se ha debido principalmente a su probada versatilidad y bajo costo de fabricación, asociado a procesos de producción que no requieren atmósferas de ultra-alto vacío.[15 Los OLED presentan importantes ventajas, respecto a los tradicionales LED, tales como alto brillo, alta eficiencia y flexibilidad mecánica[16, lo que abre un amplio abanico de posibilidades en la industria opto-electrónica, mientras que una de sus principales desventajas, en la que se trabaja intensivamente, es el corto tiempo de vida de los dispositivos orgánicos debido a procesos de degradación de las moléculas orgánicas.[17 Como tecnología emergente, los OLED aún no pueden ser comparados en muchos aspectos con los tradicionales LED inorgánicos, en los que se cuenta con eficientes procesos y cadenas de producción. Sin embargo, dados los recientes avances en términos de producción y eficiencia, se espera crear un amplio mercado de los OLED, debido a sus potenciales ventajas sobre la tecnología tradicional, dentro del mercado de consumo de dispositivos opto electrónicos. Mejorar la eficiencia cuántica de dispositivos emisores de luz, definida como el cociente obtenido entre el número de fotones emitidos por el dispositivo sobre el número de electrones que ingresan a él, es actualmente una de las temáticas en las que más se observa un creciente interés,[18,19 no solo por la importancia académica que implica la incorporación de sistemas nano-estructurados sino, además, por cuestiones de utilización eficiente de energía y su consecuente importancia en temas ambientales. A nivel mundial se trabaja intensivamente en el problema de la fabricación de OLED con eficiencia mejorada, desde diferentes aproximaciones tecnológicamente viables tales como: mezcla de moléculas conjugadas y/o polímeros, [20 integración de dispositivos y estructuras multicapas, [21 dopado de semiconductores orgánicos [22 y optimización de arquitecturas para reducir la tasa de reabsorción de la luz emitida [23. En efecto, la pérdida de fotones generados en la capa luminiscente del OLED es un fenómeno intrínseco al dispositivo, que puede explicarse con base en el esquema de la estructura típica de un OLED, mostrado en la Figura 1. Un OLED convencional (Fig.1, izquierda) tiene una capa activa constituida por un polímero luminiscente (MDMO-PPV) donde se generan los fotones debido a la recombinación de electrones y huecos, los cuales son inyectados por el contacto metálico superior (Ag) y el conductor transparente (ITO- óxido de estaño dopado con Indio), respectivamente. Para facilitar la inyección de huecos, se introduce una capa orgánica (HTL) de transporte de huecos (PEDOT:PSS), que permite un mejor alineamiento de los niveles energéticos de transporte de portadores de carga de cada uno de los materiales. En una situación ideal, la totalidad de los fotones generados en la capa luminiscente deberían salir del dispositivo OLED sin obstáculos de ninguna clase. En realidad, una fracción de éstos fotones se pierde dentro del dispositivo debido a factores como reflexión de fotones en las interfaces entre los materiales que conforman el OLED (especialmente en la interfaz polímero/metal por la naturaleza reflectiva de los metales), absorción de fotones por los materiales constituyentes del OLED (capa HTL e ITO), e inhomogeneidades en la capa luminiscente. Dichas inhomogeneidades pueden causar emisión y absorción simultánea de fotones en diferentes regiones de la capa activa. La propuesta central de este proyecto consiste en disminuir estas pérdidas intrínsecas al OLED mediante el uso de cristales coloidales embebidos en su capa polimérica electroluminiscente, como se ilustra en la derecha de la Figura 1. Un cristal coloidal es un arreglo periódico de partículas insolubles dispersas en una solución, de tal forma que se auto-organizan formando cristales ordenados de largo alcance. Para el presente caso, las partículas consisten en esferas de sílica de 250nm de diámetro, las cuales forman estructuras periódicas cuando están inmersas en la capa del polímero luminiscente MDMO-PPV.[25 El arreglo periódico de esferas forma a su vez un arreglo similar de intersticios (rellenos con el polímero luminiscente), los cuales actúan como una rejilla de difracción natural para ondas luminosas en cristales fotónicos, especialmente cuando el espaciado intersticial es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda incidente. [26 De esta forma, los cristales fotónicos pueden usarse como lentes, cavidades resonantes y guías de onda nanoscópicas, lo cual permitiría concentrar, acoplar y direccionar el flujo de fotones generados en el OLED.[27 De hecho, uno de los métodos más simples comúnmente empleados para extraer del substrato algunos modos de guías de onda, es el diseño de una superficie rugosa de un lado del sustrato de vidrio y la fabricación del OLED en el otro lado del sustrato. Debido a la rugosidad del sustrato, los modos de ondas guiadas en la frontera cristal-aire se acoplan fuera en el espacio de aire, y la eficiencia de acoplamiento se incrementa con la rugosidad del sustrato.[28 La incorporación de nanopartículas de sílica en la capa polimérica electroluminiscente permitiría la formación de un cristal coloidal embebido en ella. Esto se logra disolviendo el polímero en un solvente, e incorporando nanopartículas para obtener una solución coloidal, que posteriormente se depositará sobre un sustrato de ITO mediante la técnica de deposición por centrifugado (spin coating).[29 De esta manera, la estructura del cristal fotónico y sus parámetros de red dependerán de los parámetros de elaboración de la capa embebida (frecuencia de rotación, concentración, viscosidad y volumen de la solución). Este protocolo de fabricación es completamente novedoso y está protegido por una patente de invención.[25 Con los resultados de esta caracterización estructural se calcula su estructura de bandas usando el método de expansión de ondas planas PWEM,[30 lo cual permite predecir sus propiedades ópticas (gap, relaciones de dispersión y frecuencias propias). De este estudio se espera obtener las condiciones óptimas de elaboración de la película polimérica electroluminiscente modificada con nanopartículas de sílica, que proporcionen condiciones de resonancia entre las frecuencias ópticas propias del cristal fotónico y la frecuencia de emisión característica del polímero electroluminiscente MDMO-PPV (~580 nm).[31 En otras palabras, se pretende acoplar la fotoluminiscencia del polímero con la frecuencia de absorción del cristal coloidal para optimizar la emisión de luz (guía de onda), reduciendo la pérdida de fotones. Esta aproximación permite en principio obtener dispositivos de mayor eficiencia cuántica respecto a los dispositivos convencionales. Para probar esta hipótesis se efectuará una comparación directa de la eficiencia cuántica externa EQE entre los dos tipos de OLED, de acuerdo al método propuesto por Shukla et al. [46, que se basa en la medición combinada del espectro de electroluminiscencia y de la luminancia en función de la corriente de cada dispositivo.
StatusFinished
Effective start/end date12/10/1611/10/17

Project funding

  • National
  • FUNDACION PARA LA PROMOCION DE LA