Bliżej wydajniejszych wyświetlaczy OLED dzięki polskim naukowcom

Wyświetlacze obrazu towarzyszą nam na każdym kroku. Są montowane przede wszystkim w urządzeniach przenośnych i zyskały tak dużą popularność, że jeszcze kilkadziesiąt lat temu nie sposób byłoby w to uwierzyć. Do początku ubiegłej dekady większość urządzeń opierała się wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD), które posiadały ograniczenia choćby 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 OLED emitują światło, bez potrzeby ich dodatkowego podświetlenia. Dlatego mogą być cieńsze i lżejsze oraz osiągać wyższy kontrast - wyjaśniają w prasowym komunikacie specjaliści Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN).

Za emisję światła w OLED odpowiada organiczna warstwa półprzewodnikowa umieszczona między dwiema elektrodami, z których jedna jest przezroczysta, z łatwością przepuszczająca 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 (z ang. PAH – polyaromatic hydrocarbons), 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 związku z tym, choć OLED spełniają swoją rolę w wyświetlaczach, nadal jest wiele do zrobienia – czytamy w komunikacie Instytutu.

W obliczu wyzwań w ulepszaniu OLED naukowcy z trzech wiodących instytucji badawczych w Polsce: wspomnianego IChF PAN, Instytutu Chemii Organicznej PAN przy współpracy z badaczami z Politechniki Śląskiej zaproponowali nowe związki chemiczne do zastosowania jako emitery. Inicjatorem konsorcjum był dr Marcin Lindner z Instytutu Chemii Organicznej PAN.

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. Inspiracją dla tego projektu była obserwacja, że wiele istniejących emiterów ma bezpośrednie połączenie między grupami donorowymi i akceptorowymi.

Jednak, co by było – czytamy w informacji IChF PAN – gdyby zamiast tego cząsteczki donora i akceptora były połączone pierścieniem antyaromatycznym? Tak też postawiono na wybór grupy oddającej elektrony: domieszkowanej azotem (zwanej także N-domieszkowaną) części 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 – mówi dr Marcin Lindner.

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 ta wyprodukowała prototypowe OLED, które zawierały nowe związki i mierzyły ich zewnętrzną wydajność kwantową (EQE). Zaskakująco stwierdzono, że najlepiej działający N-domieszkowany emiter na bazie PAH osiągnął EQE na poziomie 12 proc. wyższy, niż dotychczas istniejące emitery donor-akceptor podobnego typu.

Prace eksperymentalne zostały poszerzone obliczeniami kwantowochemicznymi przez zespół kierowany przez dra hab. Adama Kubasa, chemika z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Dr Kubas i jego grupa przeprowadzili zaawansowane symulacje komputerowe struktur N-domieszkowanych PAH a także 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 dra Kubasa, cytowany w prasowym komunikacie.

Wyniki badań zostały opublikowane w Angewandte Chemie. Konsorcjum badawcze kontynuuje wysiłki na rzecz opracowania ulepszonych emiterów dla energooszczędnych wyświetlaczy OLED. Zespół donosi, że już wkrótce usłyszymy o drugiej generacji emiterów na bazie N-domieszkowanych związków o jeszcze lepszych właściwościach niż te obecnie stosowane w urządzeniach przenośnych.

– Wysokiej jakości nauka wymaga interdyscyplinarnego podejścia. W naszym projekcie badawczym ścisła współpraca między chemikami doświadczalnymi i teoretykami stworzyła obiecujące nowe materiały o doskonałych właściwościach optoelektronicznych. Przede wszystkim mogliśmy zademonstrować zupełnie nowy paradygmat projektowania silnie emitujących PAH domieszkowanych azotem – podkreśla dr Kubas.

Źródło: PAP – Nauka w Polsce