Новосибирские ученые разработали инновационный подход к созданию материалов для органических светодиодов нового поколения
Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) разработали инновационный подход к ускоренному созданию материалов с термически активированной задержанной флуоресценцией (TADF), который может привести к значительному улучшению характеристик органических светодиодов (OLED) нового поколения.
Органические светоизлучающие диоды — технология, которая используется в большинстве современных электронных устройств. Например, каждый пиксель дисплея — это маленькая «лампочка», которая светится, когда на нее подают электрический ток. Материалы для таких миниатюрных «лампочек» представляют собой полностью органические молекулы-эмиттеры, состоящие из углерода, водорода, азота, кислорода и других химических элементов.
Авторы применили передовые методы моделирования с использованием графовых нейронных сетей для описания свойств так называемых мультирезонансных TADF-эмиттеров, которые отличаются узкой полосой спектра и высокой эффективностью люминесценции.
«Благодаря своей органической природе, такие материалы позволяют сделать очень легкие, яркие, контрастные и энергоэффективные дисплеи для экранов смартфонов, ноутбуков, умных часов и многих других устройств. В мире ведутся активные поиски таких новых эффективных материалов, которые могут быть использованы в технологии OLED. Компьютерное моделирование позволяет предсказать многие свойства с довольно хорошей точностью и изучить свойства молекул in silico, прежде чем они будут синтезированы в колбе. Такие исследования проводятся и в нашей лаборатории», — объяснил один из авторов работы, заведующий лабораторией низкоуглеродных химических технологий факультета естественных наук НГУ Евгений Мостович.
Графовые нейронные сети позволяют эффективно предсказывать оптоэлектронные свойства молекул, что существенно ускоряет процесс разработки новых молекул. Основой для создания новых эмиттеров стали мультирезонансные молекулы, которые благодаря уникальности своей структуры, демонстрируют улучшенные свойства флуоресценции.
«Современные OLED-эмиттеры представляют собой связанную через мостик пару электрондонорной и электронакцепторной группы. Этот союз донора и акцептора обеспечивает минимальную разницу в энергии между двумя возбужденными состояниями такой молекулы — синглетным и триплетным — и позволяет преобразовать все «темные» (не излучающие) триплетные состояния в способные излучать свет синглетные путем TADF. Однако у такой конструкции есть существенный недостаток, т.к. части донора и акцептора между собой соединены не жестко, а геометрии возбужденных и не возбужденных состояний сильно отличаются, на это изменение тратится много энергии приводя к уширению спектра излучения молекулы. Ширина спектра прямо влияет на цветовосприяние пикселя, например, он становится не синим, а сине-зеленым», — рассказала другая участница исследования, младший научный сотрудник лаборатории Дарья Таракановская.
Авторы стремились создать материалы, которые могли бы существенно повысить эффективность OLED, используя преимущества мультирезонансного эффекта. Для этого они использовали новый тип мультирезонансных красителей. В них донор и акцептор представлены не в виде функциональных групп, а в виде атомов. Например, азота и бора, определенным образом увязанных в один углеродный скелет. Это создает очень жесткую структуру, а чередование атомов бора и азота приводит к эффекту мультирезонанса и позволяет получать эффективные эмиттеры с узкой полосой излучения. Однако для классического квантово-химического моделирования таких красителей требуются очень ресурсные вычислительные методы, поэтому ученые решили применить графовые нейронные сети.
Благодаря разработанному методу ученые отобрали ряд самых перспективных молекул и теперь за дело возьмутся химики-синтетики, уже получившие первый результат. Синтезированная ими молекула обладает яркой зеленой флуоресценцией с очень узкой полосой эмиссии равной всего 25 нм. Теперь целью является синий и красный цвета, которые так нужны для полноцветного OLED-дисплея.
Работа осуществлена в рамках проекта, поддержанного Минобрнауки России.