Zdjęcie przedstawia trzech naukowców w fartuchach, pochylających się nad szklanym sprzętem laboratoryjnym..
Autor: Agnieszka Kliks-Pudlik     Publikacja: 15.07.2022     Aktualizacja: 18.07.2022

Bliżej wydajniejszych wyświetlaczy OLED – badania z udziałem naukowców PŚ

Polscy badacze – m.in. prof. dr hab. inż. Przemysław Data – opracowali nowe związki chemiczne, które mogą służyć jako emitery światła w OLED. To kolejny krok w kierunku jeszcze wydajniejszych wyświetlaczy wpisujących się w trend zrównoważonych technologii, szczególnie w elektronice przenośnej.

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.

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.

W obliczu wyzwań w ulepszaniu OLED naukowcy z trzech wiodących instytucji badawczych w Polsce: Instytut Chemii Fizycznej 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, 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 – powiedział dr Lindner.

Zdjęcie przedstawia czterech naukowców w białych fartuchach, na tle neonów.

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%, 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.

Wyniki badań zostały opublikowane w Angewandte Chemie, lecz historia nie kończy się artykule, gdyż 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.

Tymczasem, badacze podkreślają, że interdyscyplinarność jest kluczem do sukcesu, bowiem zaangażowanie specjalistów z kilku różnych dziedzin, którzy wnoszą różnorodne umiejętności i wiedzę torują drogę do rozwoju dziedziny i przyspiesza odkrycia.

Źródło: Komu w drogę, temu OLED | IChF PAN

Autorka: Magdalena Osial, Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk 

© Politechnika Śląska

Ogólna klauzula informacyjna o przetwarzaniu danych osobowych przez Politechnikę Śląską

Całkowitą odpowiedzialność za poprawność, aktualność i zgodność z przepisami prawa materiałów publikowanych za pośrednictwem serwisu internetowego Politechniki Śląskiej ponoszą ich autorzy - jednostki organizacyjne, w których materiały informacyjne wytworzono. Prowadzenie: Centrum Informatyczne Politechniki Śląskiej (www@polsl.pl)

Zasady wykorzystywania „ciasteczek” (ang. cookies) w serwisach internetowych Politechniki Śląskiej

Deklaracja dostępności

„E-Politechnika Śląska - utworzenie platformy elektronicznych usług publicznych Politechniki Śląskiej”

Fundusze Europejskie
Fundusze Europejskie
Fundusze Europejskie
Fundusze Europejskie