Περισσότερο φως από LED πολυμερών

Από σελίδα του PhysicsWeb, 30 Απριλίου 2002

Οι φωτοδίοδοι εκπομπής (LED), που φτιάχνονται από πολυμερείς ενώσεις με μεγάλη αλυσίδα θα πρέπει να εκπέμπουν περισσότερο φως από αυτά που είναι βασισμένα σε μικρά μόρια, σύμφωνα με τους φυσικούς στις ΗΠΑ και την Ολλανδία. Ο Valy Vardeny από το Πανεπιστήμιο Utah και συνάδελφοι του ισχυρίζονται ότι αυτοί έμειναν κατάπληκτοι με την διαπίστωση ότι η παραγωγή φωτός μέσω διέγερσης σε αυτά τα υλικά, εξαρτώνται από το μήκος της αλυσίδας του πολυμερούς. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη  εξαιρετικά αποδοτικών πολυμερών LEDs.

Πολλά οργανικά πολυμερή σώματα εκπέμπουν φως όταν εφαρμόζεται σε αυτά μια τάση. Αυτό το φαινόμενο προκύπτει από τη δομή της συνδεσμολογίας αυτών των πολυμερών σωμάτων - δηλαδή τους εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς που ενώνουν τα άτομα του άνθρακα στην κύρια αλυσίδα του. Σε αυτές τις ενώσεις, τα ηλεκτρόνια έχουν ξεχωρίσει από τα γονικά τους άτομα και σχηματίζουν δύο "μοριακά τροχιακά" διαφορετικών ενεργειών, τα οποία ενεργούν ως μια ζώνη σθένους και μια ζώνη αγωγιμότητας.

Όταν μια τάση εφαρμοστεί σε ένα τέτοιο υλικό, τα ηλεκτρόνια εισέρχονται στη ζώνη αγωγιμότητας και οι θετικές οπές εισέρχονται στη ζώνη σθένους. Ένα ηλεκτρόνιο και μια οπή από αυτές τις ζώνες μπορούν να συνδεθούν μαζί για να σχηματίσουν μια ουδέτερη - αλλά διεγερμένη  - οντότητα γνωστή ως exciton. Η οντότητα αυτή πέφτει στην θεμελιώδη κατάσταση της όταν επανασυνδέονται το ηλεκτρόνιο και η οπή, και τότε μόνο μπορεί να εκπεμφθεί φως.

Αλλά το φως εκπέμπεται από αυτές τις διεγερμένες οντότητες μόνο, όταν ενωθούν δύο από αυτά οπότε το συνολικό σπιν του ηλεκτρονίου και της οπής θα είναι μηδέν. Αν το συνολικό σπιν είναι μονάδα, όταν δηλαδή ενωθούν τρία - δεν εκπέμπουν κανένα φως. Αυτό σημαίνει ότι ένα πολυμερές LED θα εκπέμπει περισσότερο φως εάν  παράγονται περισσότερα excitons με συνολικό σπιν μηδέν. Αλλά οι φυσικοί με μακροχρόνια εργασία είδαν ότι οι κανόνες της κβαντικής μηχανικής επέτρεπαν να παράγεται μόνο ένα τέτοιο απλό exciton με μηδενικό σπιν, για κάθε τρία excitons με σπιν ένα, πράγμα που περιόριζε την κβαντική αποδοτικότητα του πολυμερούς LEDs μόνο σε 25%. Αλλά τα πρόσφατα πειράματα έχουν φθάσει την αποδοτικότητα αυτή μέχρι 63%.

Προκειμένου να γίνουν κατανοητές αυτές οι υψηλές αποδοτικότητες, ο Vardeny και οι συνάδελφοι του σύγκριναν το ποσοστό των απλών excitons και των τρίδυμων που παρήχθησαν από πολυμερή σώματα με διαφορετικό μήκος πολυμερών μονάδων. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το ποσοστό των απλών excitons που παρήχθησαν ήταν πολύ μεγαλύτερο στις μακρύτερες πολυμερείς αλυσίδες, ανεξάρτητα από τη μορφή του πολυμερούς μορίου. Οι πιό αρχικές μελέτες είχαν βρεί κάποια στοιχεία για μια τέτοια διασύνδεση, αλλά ένα μέλος της ομάδας, ο Rene Janssen, λέει ότι έμεινε πολύ έκπληκτος από την ανακάλυψη. "Ειδικότερα, το γεγονός ότι τα πολυμερή σώματα διαφορετικών χημικών φύσεων εμφανίζονται με την ίδια καμπύλη ήταν πολύ απροσδόκητο," είπε στο PhysicsWeb.

Ο Vardeny και οι συνάδελφοι του σκέπτονται ότι αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να προκύψει από τις κυματοσυναρτήσεις αυτών των οντοτήτων (exciton). Προτείνουν δε ότι οι κυματοσυναρτήσεις αυτών των απλών και τριπλών exciton, είναι παρόμοιες στα μικρά μόρια αλλά είναι πολύ διαφορετικές στα πολυμερή μόρια με μεγάλο μήκος. Αλλά ισχυρίζονται ότι πρέπει να κάνουν και άλλες έρευνες για να καταλάβουν πως οι κυματοσυναρτήσεις επιδρούν στη παραγωγή των απλών και τριπλών excitons.