Het demonstreren van een strategie die de basis zou kunnen vormen voor een nieuwe klasse van elektronische apparaten met uniek afstembare eigenschappen, onderzoekers van Kyushu University waren in staat om de emissiekleur en efficiëntie van organische lichtemitterende diodes op basis van exciplexen sterk te variëren door simpelweg de afstand tussen de belangrijkste moleculen in de apparaten met enkele nanometers te veranderen.

Deze nieuwe manier om elektrische eigenschappen te regelen door de dikte van het apparaat enigszins te veranderen in plaats van de materialen, zou kunnen leiden tot nieuwe soorten organische elektronische apparaten met schakelgedrag of lichtemissie die reageert op externe factoren.

Organische elektronische apparaten zoals OLED's en organische zonnecellen gebruiken dunne films van organische moleculen voor de elektrisch actieve materialen, flexibele en goedkope apparaten mogelijk maken.

Een sleutelfactor die de eigenschappen van organische apparaten bepaalt, is het gedrag van pakketten elektrische energie die excitonen worden genoemd. Een exciton bestaat uit een negatief elektron dat wordt aangetrokken door een positief gat, die kan worden gezien als een ontbrekend elektron.

In OLED's, de energie in deze excitonen komt vrij als licht wanneer het elektron energie verliest en de leegte van het gat opvult. Het variëren van de exciton-energie, bijvoorbeeld, zal de emissiekleur veranderen.

Echter, excitonen zijn gewoonlijk gelokaliseerd op een enkel organisch molecuul en stevig gebonden met bindingsenergieën van ongeveer 0,5 eV. Dus, volledig nieuwe moleculen moeten gewoonlijk worden ontworpen en gesynthetiseerd om verschillende eigenschappen van deze Frenkel-achtige excitonen te verkrijgen, zoals rood, groente, of blauwe emissie voor displays.

Onderzoekers van het Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) van de Kyushu University concentreerden zich in plaats daarvan op een ander type exciton, een exciplex genaamd, die wordt gevormd door een gat en een elektron op twee verschillende moleculen in plaats van op hetzelfde molecuul.

Door de moleculaire afstand te manipuleren tussen het elektronendonerende molecuul (donor) en het elektronen-accepterende molecuul (acceptor) dat het gat en elektron van het exciplex draagt, respectievelijk, de onderzoekers konden de eigenschappen van deze zwak gebonden excitonen wijzigen.

"Wat we deden is vergelijkbaar met het plaatsen van vellen papier tussen een magneet en een koelkast, " zei universitair hoofddocent Hajime Nakanotani, hoofdauteur van de paper die deze resultaten rapporteert, online gepubliceerd op 26 februari, 2016, in het journaal wetenschappelijke vooruitgang .

"Door de dikte van een extreem dunne laag organische moleculen die als afstandhouder tussen de donor en acceptor is ingebracht, te vergroten, we zouden de aantrekkingskracht tussen het gat en het elektron in de exciplex kunnen verminderen en daardoor de energie van de exciplex sterk beïnvloeden, levenslang, en emissiekleur en efficiëntie."

Inderdaad, de veranderingen kunnen groot zijn:door een spacerlaag met een dikte van slechts 5 nm tussen een donorlaag en een acceptorlaag in een OLED te plaatsen, de emissiekleur verschoof van oranje naar geelachtig groen en de lichtemissie-efficiëntie nam met 700% toe.

Om dit te laten werken, het organische molecuul dat voor de afstandslaag wordt gebruikt, moet een excitatie-energie hebben die hoger is dan die van de donor en acceptor, maar dergelijke materialen zijn al op grote schaal beschikbaar.

Terwijl de moleculaire afstand momenteel wordt bepaald door de dikte van de vacuüm-afgezette afstandslaag, de onderzoekers onderzoeken nu andere manieren om de afstand te beheersen.

"Dit geeft ons een krachtige manier om apparaateigenschappen sterk te variëren zonder de materialen opnieuw te ontwerpen of te veranderen, " zei professor Chihaya Adachi, directeur van OPERA. "In de toekomst, we stellen ons nieuwe soorten op excitonen gebaseerde apparaten voor die reageren op externe krachten zoals druk om de afstand en elektrisch gedrag te regelen."

In aanvulling, de onderzoekers ontdekten dat de exciplexen nog steeds werden gevormd toen de spacer 10 nm dik was, die lang is op moleculaire schaal.

"Dit is een van de eerste bewijzen dat elektronen en gaten over zo'n lange afstand nog steeds zo kunnen interageren, " merkte professor Adachi op, "Dus deze structuur kan ook een nuttig hulpmiddel zijn voor het bestuderen en begrijpen van de fysica van excitonen om in de toekomst betere OLED's en organische zonnecellen te ontwerpen."

"Van zowel wetenschappelijk als toepassingsstandpunt, we zijn verheugd om te zien waar dit nieuwe pad voor exciton-engineering ons brengt en hopen een nieuwe categorie van op excitonen gebaseerde elektronica te vestigen."