Il polifluorene e i suoi derivati si presentano come materiali semiconduttori di grande versatilità, trovando applicazione in numerosi dispositivi optoelettronici polimerici. Questi includono dispositivi a emissione di luce, laser, celle solari, memorie, transistor a effetto di campo e sensori.
Caratteristiche dei polifluoreni
I polifluoreni appartengono alla categoria dei polimeri conduttivi, che possiedono la capacità di condurre elettricità. Questi materiali sono stati oggetto di studio per le loro peculiarità e per i potenziali ambiti d’applicazione da parte di premi Nobel come Alan Jay Heeger, Alan Graham MacDiarmid e Hideki Shirakawa nel 2000. La struttura del polifluorene è formata da unità monomeriche di fluorene, le quali presentano una molecola coplanare in grado di emettere fluorescenza viola, scoperta nel 1867 dal chimico francese Marcellin Berthelot. L’anello centrale della molecola è composto da cinque atomi di carbonio collegati a due anelli benzenici. La formula del polifluorene è (C13H8)n, in cui ogni monomero include due gruppi fenilenici, ovvero anelli benzenici disostituiti.
Innovazioni nell’emissione di luce
Tra i polimeri π-coniugati, i polifluoreni e i copolimeri a base di fluorene si distinguono per la loro ampia coniugazione, che consente una delocalizzazione elettronica favorevole alla conducibilità. Dal 1990, è stata documentata l’elettroluminescenza in vari polimeri coniugati. Questo fenomeno, che porta all’emissione di luce sotto l’azione di un campo elettrico, ha aperto la strada a un’ampia gamma di colori di emissione, utilizzando miscele polimeriche con diverse caratteristiche di trasporto e emissione.
Il polifluorene, grazie al suo ampio band gap, è capace di emettere una fluorescenza blu, collocandosi nella prima famiglia di polimeri che riesce a emettere luce in tutto lo spettro visibile, dal blu al rosso. In generale, è possibile ottenere un’emissione singola da ciascun polimero, anche se recenti studi dimostrano che modifiche adeguate possono portare a emissioni multiple. L’introduzione di un copolimero o di catene laterali consente di sintonizzare ulteriormente gli spettri di emissione, dimostrando così la fattibilità di un’emissione multicolore da un singolo polimero. Recentemente, è stato realizzato un polimero a forma di stella, che ha generato emissioni di colore rosso, verde e blu grazie a specifiche modifiche strutturali e all’uso di sostanze dopanti, inclusi complessi metallici e punti quantici.
Le celle solari organiche, che sono tipicamente costituite da polimeri, si avvalgono di polimeri conduttivi organici o piccole molecole per convertire la luce solare in elettricità, utilizzando l’effetto fotovoltaico. È cruciale che il trasporto dei portatori di carica generati dalla luce avvenga agevolmente. Le proprietà di assorbimento ottico dei polimeri devono coprire efficacemente lo spettro solare, e l’energia del trasferimento di carica deve essere ben regolata per accettori adeguati.
luminescenza
I polimeri impiegati si basano spesso sul poli(p-fenilene vinilene) e sul politiofene, e recentemente anche sul polifluorene. Un limite del polifluorene e dei suoi derivati nelle applicazioni per fotodiodi è la mancanza di assorbimento ottico a energie basse, ovvero nella regione rossa dello spettro, dove è concentrata gran parte dell’irradiazione solare. Tuttavia, questi polimeri offrono buone prestazioni nella conduzione della carica, possono essere strutturati in forme cristalline liquide anisotropiche e sono utilizzabili sia come conduttori di elettroni, sia come conduttori di lacune. Sono diversi gli esempi di fluoreni copolimerizzati con altre molecole, come tiofeni e benzotiadiazoli, sviluppati per applicazioni in dispositivi a emissione luminosa.
La copolimerizzazione di fluorene con gruppi donatori-accettori nelle catene polimeriche potrebbe fornire materiali adatti per fotodiodi e celle solari. Questo nuovo approccio permetterebbe di ottenere materiali con assorbimento ottico al di sotto del band gap elevato del poli(flourene) puro, rendendoli idonei per l’assorbimento di una significativa porzione dello spettro solare e, conseguentemente, adatti per l’uso in celle solari.
