Campos elétricos invisíveis melhoram luminosidade de nova classe de LEDs

LECs

Os LEDs são ótimos: Reduziram nosso consumo de energia e mudaram nossa iluminação e nossas tecnologias de telas.

Mas as LECs podem ser ainda melhores: Enquanto LEDs são diodos emissores de luz (Light-Emitting Diodes), as LECs são células eletroquímicas emissoras de luz (Light-Emitting Electrochemical Cells).

Uma LEC é um componente de estado sólido que transforma eletricidade em luz usando um semicondutor orgânico, ou polimérico, à base de carbono, o que significa que elas são mais simples, flexíveis e de custo ainda mais baixo. Ao contrário dos LEDs orgânicos (OLEDs), as LECs contêm apenas uma única camada ativa, um semicondutor orgânico misturado com íons móveis, intercalada entre dois eletrodos. Essa simplicidade estrutural as torna ferramentas promissoras para tecnologias de emissão de luz de próxima geração.

Mas havia uma pedra no caminho atrapalhando o desenvolvimento das LECs: Algumas vezes esses dispositivos brilham intensamente, mas basta uma pequena mudança para que sua luminosidade despenque.

Agora, os cientistas finalmente conseguiram compreender um mecanismo crucial do seu funcionamento que desvenda esse mistério. Haruka Tsutsumi e colegas da Universidade Metropolitana de Osaka, no Japão, descobriram que, dentro da estrutura aparentemente simples de uma LEC, as coisas não são tão simples assim.

Recombinação de cargas positivas e negativas

Quando você liga o interruptor de uma LEC, íons móveis auxiliam na injeção de carga, permitindo que elétrons (cargas negativas) e lacunas (cargas positivas) entrem no material emissor de luz através dos eletrodos. Uma vez dentro do material, elétrons e lacunas formam pares elétron-lacuna, quasipartículas conhecidas como éxcitons.

Quando esses pares quebram seu sutil equilíbrio e se recombinam, eles liberam energia na forma de luz. Assim, a eficiência de uma LEC depende, em última análise, da eficácia com que essa recombinação de éxcitons ocorre. Mas vinha sendo impraticável compreender esses processos, primeiro porque esses pares elétron-lacuna são instáveis e difíceis de observar, e, segundo, os íons móveis complicam ainda mais as coisas.

Para superar esse duplo obstáculo, a equipe recorreu à ressonância magnética detectada por eletroluminescência (ELDMR), uma técnica que vincula medições de ressonância magnética a mudanças na emissão de luz. Ao sondar as propriedades de spin dos pares elétron-lacuna, que são altamente sensíveis a campos elétricos, a técnica permitiu detectar seletivamente esses intermediários enquanto o dispositivo emissor de luz está funcionando.

“A análise espectral confirmou que os sinais se originam da ressonância de spin eletrônico de pares elétron-lacuna. Isso nos mostrou que o campo elétrico interno não é estático. Ele evolui à medida que os íons se rearranjam, e os pares elétron-lacuna estão percebendo diretamente essas mudanças,” detalhou o professor Katsuichi Kanemoto.

Benefícios para LECs e OLEDs

Parece complicado, mas a lição final é que é possível aumentar o brilho de uma LEC diminuindo a tensão elétrica de funcionamento, o que aumenta o processo de recombinação das cargas, gerando mais fótons. “Nossos resultados mostram que existem condições de campo elétrico ideais para uma recombinação eficiente. Um campo elétrico estável e mais baixo pode, na verdade, aumentar a emissão de luz,” disse Kanemoto.

E, embora o estudo tenha se concentrado nas LECs, o processo fundamental de recombinação de cargas é comum a todos os dispositivos eletroluminescentes orgânicos, incluindo os OLEDs (LEDs orgânicos), que poderão tirar proveito de um melhor gerenciamento do campo elétrico, gerando mais luz sem necessariamente gastar mais energia.