Reseña

Method for manufacturing a thin film consisting of a colloidal crystal infiltrated with the luminescent MDMO-PPV polymer made of silica (SiO2) spheres, having a face-centered cubic system (FCC).

Ganador Ciencias Exactas, Físicas  Naturales - 2018

AUTORES: Juan Carlos Salcedo Reyes, PhD (Profesor Asociado); Henry Alberto Méndez Pinzón, PhD (Profesor Asociado) y Luis Camilo Jiménez Borrego, MSc (Profesor Asociado). Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, D.C.

El Grupo de Películas Delgadas y Nanofotónica (GPD&N) del Departamento de Física de la Pontificia Universidad Javeriana trabaja, entre otras, en dos de las áreas más novedosas en la física: los semiconductores orgánicos y la nanotecnología. La descripción teórica de las propiedades físico/químicas de los dispositivos electroluminiscentes orgánicos y de los cristales coloidales nos permitieron plantear hipótesis de cómo mejorar la eficiencia energética de los OLED. La descripción se hace, por un lado, a partir del modelamiento de primeros principios (solución numérica de la ecuación de Hartree) de las moléculas orgánicas. Estos cálculos van encaminados a poder establecer modelos teóricos sobre el dopado basado en la hibridización de orbitales moleculares, cuya descripción cuantitativa más sencilla está dada por el Modelo de Hückel. Por otra parte, los cristales coloidales se modelan mediante el cálculo de la estructura fotónica de bandas mediante el método de expansión en ondas planas. Esta estructura de bandas nos permite predecir el comportamiento de la propagación de la luz a través del cristal.

Desde el 2008, el GPD&NF ha venido trabajando intensamente en el fortalecimiento de estas dos líneas de investigación. Es así como en 2010 la tesis de grado “Fabrication and Electrical Characterization Of Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)”, dirigida por los integrantes del grupo, fue galardonada con el segundo lugar en la categoría de ciencias del Concurso Nacional Mejores Trabajos de Grado de Pregrado Otto de Greiff. Posteriormente, en los años 2010 y 2012, las tesis de maestría “Estudio de propiedades optoelectrónicas del polímero luminiscente MDMO-PPV” y “Fabrication and optical characterization of a high-quality fcc-opal-based photonic crystal grown by the vertical convective self-assembly method” respectivamente, obtuvieron mención meritoria por parte del comité evaluador de la Universidad Javeriana.

A partir de estos resultados surgió la hipótesis, en principio teórica, de fusionar las dos líneas de investigación con el fin de poder fabricar dispositivos electroluminiscentes con mejores características energéticas. Es decir, fabricar un diodo emisor de luz orgánico (OLED) al cuál se le incorpora una película delgada formada por un cristal coloidal (CC) de esferas de sílica (SiO2) con el fin de obtener un dispositivo que emita más radiación visible y a la vez consuma menos energía eléctrica.

En términos más precisos, este proceso consiste en usar nanopartículas (coloidales) con el fin de mejorar la eficiencia cuántica de dispositivos electroluminiscentes. Inicialmente, el trabajo se centró en determinar, desde el punto de vista teórico, el tamaño de las esferas de sílica SiO2 que, dados los índices de refracción del polímero luminiscente utilizado (MDMO-PPV) y la sílice, acoplara la radiación emitida por el polímero luminiscente al CC. Estos cálculos fueron reportados en “Effective refractive index of face centered-cubic and hexagonal close packed 250 nm-SiO2 based colloidal crystals, Journal of Nanophotonics, 6, 063518-1 (2012)”. Una vez determinado el tamaño óptimo de las esferas de sílica (250 nm) para producir un acoplamiento óptico entre la radiación emitida y el cristal coloidal, se procedió a fabricar esferas de SiO2 de 250 nm de diámetro usando el método de Stöber. Con el fin de modificar lo menos posible el procedimiento establecido para la fabricación de OLED basados en el polímero luminiscente MDMO-PPV, se desarrolló un método novedoso que permite incorporar una capa formada por el cristal coloidal de esferas de sílice de 250 nm de diámetro mediante la técnica de deposición por centrifugado (spin coating).

Simultáneamente, los integrantes del grupo seguían trabajando en modelos teóricos de las propiedades físico-químicas de los semiconductores orgánicos. Particularmente, se exploró otra estrategia para reducir el consumo de potencia eléctrica mediante el control de la conductividad eléctrica de polímeros y pequeñas moléculas orgánicas, a través del esclarecimiento del mecanismo de dopado molecular de semiconductores orgánicos. Como resultado, se planteó un modelo de dopado molecular basado en la hibridización de orbitales moleculares, el cual permite explicar y controlar la conductividad eléctrica de capas delgadas poliméricas y de moléculas orgánicas. El desarrollo de este modelo se publicó en los trabajos “Doping of organic semiconductors: Impact of Dopant Strength and Electronic Coupling” (Angewandte Chemie 125, 7905 –7909 (2013)) y “Charge-transfer crystallites as molecular electrical dopants” (Nature Communications 6, 8560 (2015)).

Una vez desarrollados los métodos teóricos, y validado el método de fabricación de los cristales coloidales infiltrados con el polímero luminiscente por deposición de centrifugado, se procedió a fabricar un dispositivo OLED modificado con cristal coloidal (OLED/CC). Este proceso involucra la deposición de películas delgadas de óxido de estaño dopado con indio (ITO) y plata como electrodos usando las técnicas de fotolitografía y de pulverización catódica (magnetrón-sputtering), así como la deposición de una capa inyectora de huecos por deposición por centrifugado, película formada por el semiconductor orgánico PEDOT:PSS.

En este punto, teniendo la certeza de cumplir con el nivel inventivo suficiente, se procedió a presentar la patente “Método para la fabricación de una película delgada formada por un cristal coloidal infiltrado con el polímero luminiscente MDMO-PPV formado a partir de esferas de sílice (SiO2), con estructura cúbica centrada en las caras (FCC)” ante la superintendencia de industria y comercio (SIC) de Colombia. Esta patente fue concedida mediante la resolución No. 98720 de 2015.

Una vez definido el procedimiento de fabricación de los OLED/CC y habiendo demostrado su éxito, se diseñó e implemento un sistema, a nivel metrológico, que permite de medición de la eficiencia cuántica de dispositivos electroluminiscentes. Las mediciones de la eficiencia cuántica de los OLED/CC se reportaron en “Enhancing light extraction efficiency in MDMO-PPV based OLEDs by incorporating SiO2-250 nm colloidal crystals, Proc. SPIE, 10101, Organic Photonic Materials and Devices XIX, 101010D (2017)”. En este reporte se muestra un aumento del 30% en la eficiencia cuántica de los dispositivos OLED/CC respecto a los dispositivos OLED sin modificar.

Finalmente, teniendo todo el panorama completo: cálculos teóricos - método de fabricación de CC - fabricación de OLED/CC - validación de la eficiencia cuántica, se procedió a solicitar la patente “Method for manufacturing a thin film consisting of a colloidal crystal infiltrated with the luminescent MDMO-PPV polymer made of silica (SIO2) spheres, having a face-centered cubic system(FCC)” ante la oficina de patentes y marcas de los Estados Unidos de América. Esta patente fue concedida el 2 de enero de 2018 con el número 9,859,497 B2.