Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha desarrollado una «tinta supramolecular», una nueva tecnología para su uso en pantallas OLED (diodos emisores de luz orgánicos) u otros dispositivos electrónicos. Fabricada con elementos económicos y abundantes en la Tierra en lugar de metales costosos y escasos, la tinta supramolecular podría permitir pantallas planas y dispositivos electrónicos más asequibles y ambientalmente sostenibles.
«Al reemplazar los metales preciosos con materiales abundantes en la Tierra, nuestra tecnología de tinta supramolecular podría cambiar las reglas del juego para la industria de las pantallas OLED», dijo el investigador principal Peidong Yang, científico senior de la facultad de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de química y ciencia de materiales. e ingeniería en UC Berkeley. «Lo que es aún más emocionante es que la tecnología también podría extender su alcance a películas orgánicas imprimibles para la fabricación de dispositivos portátiles, así como al arte y la escultura luminiscentes», añadió.
Si tiene un teléfono inteligente o un televisor de pantalla plana relativamente nuevo, es muy probable que tenga una pantalla OLED. Los OLED se están expandiendo rápidamente en el mercado de las pantallas porque son más livianos, más delgados, usan menos energía y tienen mejor calidad de imagen que otras tecnologías de pantalla plana. Esto se debe a que los OLED contienen pequeñas moléculas orgánicas que emiten luz directamente, eliminando la necesidad de la capa de retroiluminación adicional que se encuentra en una pantalla de cristal líquido (LCD). Sin embargo, los OLED pueden incluir metales raros y costosos como el iridio.
Pero con el nuevo material, que el equipo del Laboratorio Berkeley describió recientemente en un nuevo estudio publicado en la revista Ciencia — los fabricantes de pantallas electrónicas podrían potencialmente adoptar un proceso de fabricación más económico que también requiera mucha menos energía que los métodos convencionales.
El nuevo material consiste en polvos que contienen hafnio (Hf) y circonio (Zr) que se pueden mezclar en solución a bajas temperaturas (desde temperatura ambiente hasta alrededor de 176 grados Fahrenheit (80 grados Celsius)) para formar una «tinta» semiconductora. «
Pequeñas estructuras moleculares de «bloques de construcción» dentro de la tinta se autoensamblan en solución, un proceso que los investigadores llaman ensamblaje supramolecular. «Nuestro enfoque se puede comparar con la construcción con bloques LEGO», dijo Cheng Zhu, coautor del artículo y Ph.D. Candidato en ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. Estas estructuras supramoleculares permiten que el material logre una síntesis estable y de alta pureza a bajas temperaturas, explicó Zhu. Desarrolló el material mientras trabajaba como investigador afiliado en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y estudiante investigador de posgrado en el grupo Peidong Yang en el Laboratorio de Berkeley y UC Berkeley.
Los experimentos de espectroscopia en UC Berkeley revelaron que los compuestos de tinta supramoleculares son emisores altamente eficientes de luz azul y verde, dos indicadores de la posible aplicación del material como emisor OLED energéticamente eficiente en pantallas electrónicas e impresión 3D.
Experimentos ópticos posteriores revelaron que los compuestos de tinta supramoleculares que emiten azul y verde exhiben lo que los científicos llaman eficiencia cuántica cercana a la unidad. «Esto demuestra su capacidad excepcional para convertir casi toda la luz absorbida en luz visible durante el proceso de emisión», explicó Zhu.
Para demostrar la capacidad de ajuste del color y la luminiscencia del material como emisor OLED, los investigadores fabricaron un prototipo de pantalla de película delgada a partir de la tinta compuesta. Con un resultado interesante, descubrieron que el material es adecuado para pantallas electrónicas programables.
«La película del alfabeto sirve como un ejemplo convincente que ilustra la aplicación de películas delgadas emisivas como la tinta supramolecular en la creación de pantallas de conmutación rápida», dijo Zhu.
Experimentos adicionales en UC Berkeley demostraron que la tinta supramolecular también es compatible con tecnologías de impresión 3D, como por ejemplo para el diseño de iluminación OLED decorativa.
Zhu añadió que los fabricantes también podrían utilizar la tinta supramolecular para fabricar dispositivos portátiles o ropa de alta tecnología que se ilumine por motivos de seguridad en condiciones de poca luz, o dispositivos portátiles que muestren información a través de estructuras supramoleculares emisoras de luz.
La tinta supramolecular es otra demostración del laboratorio Peidong Yang de nuevos materiales sostenibles que podrían permitir una fabricación de semiconductores rentable y energéticamente eficiente. El año pasado, Yang y su equipo informaron sobre una nueva «tinta multielemento»: el primer semiconductor de «alta entropía» que puede procesarse a baja temperatura o a temperatura ambiente.
Con su estabilidad y vida útil demostradas, los compuestos de tinta supramoleculares también podrían ayudar en el avance comercial de las perovskitas de haluro iónico, un material solar de película delgada que la industria de las pantallas ha estado observando durante décadas. Con su síntesis a baja temperatura en solución, las perovskitas de haluros iónicos podrían permitir procesos de fabricación más baratos para la fabricación de pantallas. Pero las perovskitas de halogenuros de alto rendimiento contienen el elemento plomo, que es preocupante para el medio ambiente y la salud pública. Por el contrario, la nueva tinta supramolecular, que pertenece a la familia de las perovskitas de haluros iónicos, ofrece una formulación sin plomo sin comprometer el rendimiento.
Ahora que han demostrado con éxito el potencial de la tinta supramolecular en películas delgadas OLED y en dispositivos electrónicos imprimibles en 3D, los investigadores están explorando el potencial electroluminiscente del material. «Esto implica una investigación enfocada y especializada sobre qué tan bien nuestros materiales pueden emitir luz mediante excitación eléctrica», dijo Zhu. «Este paso es esencial para comprender todo el potencial de nuestro material para crear dispositivos emisores de luz eficientes».
Otros autores del estudio incluyen a Jianbo Jin (coprimer autor), Zhen Wang, Zhenpeng Xu, Maria C. Folgueras, Yuxin Jiang, Can B. Uzundal, Han KD Le, Feng Wang y Xiaoyu (Rayne) Zheng.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
