Nowe związki chemiczne, które mogą służyć jako emitery światła w organicznych diodach elektroluminescencyjnych, zaproponował zespół naukowców Polskiej Akademii Nauk oraz Politechniki Śląskiej. Wyniki ich badań przybliżają nas do jeszcze wydajniejszych wyświetlaczy w elektronice przenośnej.
Nowoczesne wyświetlacze obrazu niczym już nie przypominają ekranów kineskopowych królujących w ubiegłych dekadach. Jeszcze do początku ubiegłej dekady większość urządzeń opierała się wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD), które posiadały liczne ograniczenia, takie jak zmiana polaryzacji światła przez orientację ciekłego kryształu pod wpływem pola elektrycznego. Przez to, że LCD nie wytwarzają, a jedynie filtrują światło, mają tendencję do słabego kontrastu i tym samym nieostrego obrazu. Z kolei wyświetlacze oparte na organicznych diodach elektroluminescencyjnych (OLED) emitują światło, bez potrzeby ich dodatkowego podświetlenia. Dlatego mogą być cieńsze i lżejsze oraz osiągać wyższy kontrast.
Za emisję światła w OLED odpowiada organiczna warstwa półprzewodnikowa umieszczona między dwiema elektrodami, z których jedna jest przezroczysta i z łatwością przepuszcza światło. Kolor emitowanego światła zależy od składu warstwy półprzewodnikowej, bowiem różne związki chemiczne tzw. emiterów dają różną barwę. Obecnie powszechnie stosowanymi emiterami są związki heteroaromatyczne i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (polyaromatic hydrocarbons, PAH), które powodują jasną emisję, ale kosztem niskiej czystości barw. Ponadto wiele z tych związków wykazuje słabą stabilność chemiczną i termiczną, co skraca żywotność urządzenia, a także przyczynia się do wysokich kosztów produkcji.
W obliczu wyzwań w ulepszaniu OLED naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Instytutu Chemii Organicznej PAN przy współpracy z badaczami z Politechniki Śląskiej zaproponowali nowe związki chemiczne do zastosowania jako emitery. W ramach badań zaprojektowano serię potencjalnych, nowych emiterów opartych na związkach aromatycznych oddających i akceptujących elektrony, tzw. donory i akceptory, połączonych w antyaromatyczny siedmioczłonowy pierścień. Badacze, zainspirowani tym, że wiele istniejących emiterów ma bezpośrednie połączenie między grupami donorowymi i akceptorowymi, zastanawiali się, co by było, gdyby zamiast tego cząsteczki donora i akceptora zostały połączone pierścieniem antyaromatycznym? Postanowiono to sprawdzić, wykorzystując domieszkowaną azotem (zwaną także N-domieszkowaną) część PAH. Obecność azotu powoduje, że szkielet molekularny przyjmuje lekko wklęsłą, podobną do niecki geometrię, co pomaga zmniejszyć niepożądane interakcje pomiędzy kolejnymi cząsteczkami w fazie skondensowanej.
Podstawowa konstrukcja naszych PAH domieszkowanych azotem okazała się dość elastyczna, a ich właściwości są bardzo wrażliwe określony układ donor-akceptor. Przykładowo, możemy dopasować mechanizm emisji między aktywowaną termicznie opóźnioną fluorescencją (TADF) a fosforescencją w temperaturze pokojowej (RTP). Daje nam to wysoki stopień kontroli nad profilem emisji światła – opisuje dr Marcin Lindner z Instytutu Chemii Organicznej PAN, inicjator konsorcjum.
Następnie do akcji wkroczyła grupa prof. Przemysława Data z Politechniki Śląskiej, która zbadała właściwości optyczne i elektroniczne zaproponowanych emiterów. Badacze zarejestrowali widma emisyjne nowych siedmiocyklicznych związków w różnych warunkach mierząc energie stanów wzbudzonych. Co więcej, grupa wyprodukowała prototypowe OLED, które zawierały nowe związki i mierzyły ich zewnętrzną wydajność kwantową (EQE). Stwierdzono, że najlepiej działający N-domieszkowany emiter na bazie PAH osiągnął EQE na poziomie 12%, wyższym niż dotychczas istniejące emitery donor-akceptor podobnego typu.
Prace eksperymentalne zostały poszerzone obliczeniami kwantowochemicznymi przez naukowców pod kierownictwem dr. hab. Adama Kubasa, chemika z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Przeprowadzili zaawansowane symulacje komputerowe struktur N-domieszkowanych PAH, a także zbadali ich właściwości. Obliczenia pozwoliły na dokładną interpretację widm badanych emiterów, co nie jest możliwe gdyby bazować na samych wynikach eksperymentalnych.
Pod względem struktury elektronowej nowe emitery są dość egzotyczne. Obecność siedmioczłonowego pierścienia między grupami donora i akceptora, częściowo je rozdziela, co w konsekwencji daje bardzo małe, choć ciągle dodatnie, przerwy energetyczne singlet-tryplet ułatwiając emisję TADF – wyjaśnia Michał Kochman, adiunkt w grupie dr. Kubasa.
Wyniki badań zostały opublikowane w Angewandte Chemie. Naukowcy kontynuują swoje prace i zapowiadają już wkrótce drugą generację emiterów na bazie N-domieszkowanych związków o jeszcze lepszych właściwościach niż te obecnie stosowane w urządzeniach przenośnych.
Magdalena Osial, źródło: IChF PAN