“Trampas” en la electrónica de plástico

Una investigación llevada a cabo por científicos de la Escuela de Química y Bioquímica, junto al Centro de Fotónica y Electrónica Orgánica, en el Instituto de Tecnología de Georgia, está dando lugar a un marco teórico que puede mejorar en forma notable el desempeño de los dispositivos basados en lo que se conoce como “Electrónica de Plástico”, entre los que se encuentran como destacados a las pantallas OLED y cierto tipo de células solares orgánicas. El trabajo habla acerca de un método utilizado para eliminar “trampas de energía” en la que cae un porcentaje de electrones, mientras la corriente circula dentro de estos polímeros semiconductores. Entérate de todos los detalles del hallazgo en este artículo.

Durante su paso por los semiconductores, mientras se da lugar al fenómeno que conocemos como “circulación de corriente”, existe una proporción de electrones que quedan “atascados” en determinadas trampas de carga y ya no son útiles, bajando la eficiencia de los dispositivos OLED, por ejemplo. "Este proceso de captura de electrones reduce la corriente circulante (se presenta como una resistencia) y por lo general, este tipo de trampas de energía se mueven hacia el centro del dispositivo, lugar donde los electrones se convierten en fotones o viceversa, para el caso de las células solares", expresó el equipo de la Universidad de Groningen y el Instituto de Tecnología de Georgia. Aunque varios mecanismos, o modelos de simulación, han sido propuestos para explicar el funcionamiento y naturaleza de tipo de trampas, hasta la actualidad, nadie sabía a ciencia cierta cómo se producían, su naturaleza y tampoco cómo podría construirse un mecanismo antagónico, capaz de neutralizar su efecto negativo dentro de normal funcionamiento de un elemento semiconductor tradicional.

Estructura plástica y flexible de las pantallas OLED

"Nos pusimos en marcha para resolver este enigma mediante la comparación de las propiedades que adquirían estas trampas en nueve tipos de polímeros diferentes. La comparación reveló que las trampas, en todos los materiales, tenían un nivel de energía muy similar", explicó Herman Nicolai, autor principal de un artículo sobre el tema en Nature Materials ("Unification of trap-limited electron transport in semiconducting polymers"). Como parte del desarrollo de trabajo, el grupo de Tecnología de Georgia, liderado por Jean-Luc Bredas, utilizó como modelos de estudio, las estructuras electrónicas en una amplia gama de posibles trampas. "Lo que encontramos fuera de los cálculos es que el nivel de energía de las trampas, medido experimentalmente, coincidía con los efectos que podría inducir un complejo (o combinación) de agua y oxígeno".

El uso de polímeros en la fabricación de células solares ha favorecido su uso en dispositivos deformables

Aunque los dispositivos estudiados por Nicolai fueron fabricados en una atmósfera de Nitrógeno "estas “impurezas” (agua-oxígeno), puede introducirse fácilmente durante la fabricación del material semiconductor, incluso si el proceso se hace bajo condiciones controladas. El Nitrógeno no puede evitar la contaminación con pequeñas cantidades de oxígeno y agua".  En virtud a estos resultados, las trampas que ahora se conocen en forma efectiva gracias a estos estudios, tienen un nivel de energía similar, por lo tanto la corriente de electrones en diferentes materiales plásticos puede ser estimada con mayor facilidad, y se abre una posibilidad más sólida para fundamentar el diseño y la construcción de materiales libres de trampas.

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"La energía de la trampa se encuentra en el intervalo de energía prohibido", manifestó Nicolai. Este intervalo es la brecha (el espacio) que representa la diferencia de energía de la parte exterior del círculo en el cual los electrones giran alrededor del núcleo en su estado fundamental, y la órbita más alta por la que deben trasladarse (o moverse) para convertirse en portadores de carga móviles (los que forman la corriente electrónica). Por ejemplo, cuando un electrón móvil circula en cercanías de la zona donde habita una “trampa” que está dentro del mencionado espacio de energía, caerá en dicha trampa porque ésta tiene un nivel de energía más bajo. "A partir de esta investigación, si los químicos pudieran (o pudiesen) diseñar polímeros semiconductores donde la energía de las trampas sea superior a la del orbital superior, en el que los electrones se mueven a través del material, éstos no caerían en las trampas alcanzando la efectividad de un material de características muy superiores a los actuales.", expresó Nicolai.

Los electrones portadores de carga, desprenden fotones al combinarse durante la circulación de corriente. Menos electrones=menos fotones=menos luz.

En ambos dispositivos, los LEDs de plástico y las células solares plásticas, "La corriente de electrones no debe verse obstaculizado por las caídas de energía. A partir de ahora, con nuestro descubrimiento, los diseños se podrán realizar con resultados más eficientes". El trabajo experimental se llevó a cabo en el Instituto de Materiales Avanzados de Zernike (ZIAM) en la Facultad de Matemáticas y Ciencias Naturales, Universidad de Groningen, en los Países Bajos.

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