Los materiales de los LEDs del futuro se diseñan con química cuántica

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Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Un nuevo material fluorescente extremadamente eficiente permite fabricar LEDs azules orgánicos sin emplear ningún tipo de metal. Los principios que han guiado su desarrollo podrían permitir el de otros materiales de alta eficiencia para LEDs. La investigación ha sido llevada a cabo por un equipo de investigadores de la Universidad Kyushu (Japón) y los resultados se publican en Nature Photonics y Nature Materials.

Para la producción de un LED multicolor o blanco la emisión de luz azul es crítica, tanto que el premio Nobel de física de este año ha ido a parar a los desarrolladores del diodo emisor de luz (LED por sus siglas en inglés) azul basado en nitruro de galio. Sin embargo, el uso de cristales de sales inorgánicas tiene inconvenientes que los LEDs a base de compuestos orgánicos (los llamados O-LEDs) son capaces de solucionar en gran medida. Así los O-LEDs son claramente superiores en pantallas planas y teléfonos móviles que se requiere que sean ultradelgados, ligeros y flexibles.

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Pantalla plana ultradelgada fabricada usando O-LEDs de primera generación.

El problema estriba en que los O-LEDs más eficientes conocidos hasta ahora no eran puramente orgánicos, sino compuestos organometálicos en los que el metal era iridio o platino. Estos metales son muy caros y los complejos organometálicos para la emisión de luz azul basados en ellos no son todo lo estables que sería de desear. Por tanto la producción de un O-LED que no use metales de ningún tipo es algo muy deseable pero el papel del metal no es fácilmente reemplazable: aproximadamente el 75% de los estados cuánticos de las moléculas orgánicas de estos O-LEDs no emiten fotones, esto es, no emiten luz, lo que los hacen muy ineficientes.

Durante los últimos cinco años un equipo de la Universidad Kyushu ha estado trabajando en un proceso llamado fluorescencia retrasada activada térmicamente (FRAT) que permite que la energía térmica presente en una habitación a temperatura ambiente convierta los estados que no emiten fotones en otros que sí lo hacen. En 2012 el equipo consiguió producir un LED verde usando FRAT. A principios de este año presentaron un O-LED azul con una eficiencia cuántica externa (la proporción de electrones que atraviesan el O-LED que produce un fotón) del 20%, muy superior al 11% de los O-LEDs conocidos hasta entonces y muy próxima a la eficiencia cuántica de los LEDs inorgánicos. El equipo ha hecho ahora públicos los principios de diseño que dictan la eficiencia de estas moléculas, junto a los resultados experimentales que los respaldan.

Para que la FRAT funcione adecuadamente es necesario que los estados que emiten y los que no estén lo más próximos que sea posible en nivel de energía. Para conseguir esto es necesario que los estados estén deslocalizados y, a la vez, separados entre sí. Usando una técnica muy conocida en química cuántica, la teoría del funcional de la densidad, se pueden diseñar moléculas en las que se cumplan estas dos condiciones.

Los investigadores llegaron de esta forma a unos derivados de carbazol-triazinas de los que, como preveían los cálculos, el que mejor combinaba un estado no emisor muy deslocalizado con una separación pequeña entre la energía de los dos estados era el emisor más eficiente.

Este nuevo proceso, el FRAT, facilitará experimentar con nuevas moléculas que permitan crear una próxima generación de dispositivos emisores de luz más baratos, flexibles y económicos.

Referencias:

Qisheng Zhang, Bo Li, Shuping Huang, Hiroko Nomura, Hiroyuki Tanaka, Chihaya Adachi (2014) Efficient blue organic light-emitting diodes employing thermally activated delayed fluorescence Nature Photonics DOI: 10.1038/nphoton.2014.12

Shuzo Hirata, Yumi Sakai, Kensuke Masui, Hiroyuki Tanaka, Sae Youn Lee, Hiroko Nomura, Nozomi Nakamura, Mao Yasumatsu, Hajime Nakanotani, Qisheng Zhang, Katsuyuki Shizu, Hiroshi Miyazaki & Chihaya Adachi (2014) Highly efficient blue electroluminescence based on thermally activated delayed fluorescence Nature Materials DOI: 10.1038/nmat4154

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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