Usynlige organiske lysemitterende dioder når ny verdensrekord

Du kan ikke se det med det blotte øje, men en ny fluorescerende organisk lysemitterende diode (OLED) kunne kaste lys over udviklingen af ​​innovative applikationer i enheder som smartphone og tv-skærme, der bruger nær-infrarødt lys. Skabt gennem det kombinerede arbejde af ingeniører fra Polytechnique Montréal og kemikere fra Université de Montréal, denne fluorescerende OLED er 300 % mere effektiv end eksisterende OLED'er i sin kategori. Forskerholdet har for nylig offentliggjort detaljer i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

I modsætning til konventionelle lysemitterende dioder (LED'er) - som genererer fotoner ved hjælp af perfekt samlede halvlederkrystaller - udsender OLED'er lys ved brug af organiske molekyler sammensat af kulstof, nitrogen, og oxygen. Allerede i brug i smartphone-skærme og high-end fjernsyn, OLED-teknologien er allerede veletableret. Men på trods af adoption fra industrien, vigtige udfordringer mangler stadig at blive overvundet for at skubbe denne teknologi fremad.

Et sådant eksempel er, at blå OLED'er står over for stabilitetsproblemer, hvilket fører til meget hurtigere nedbrydning end deres grønne og røde modstykker. På den anden side af spektret, infrarøde OLED'er har tendens til at være meget ineffektive - i stedet for at udsende fotoner ved infrarøde bølgelængder (og dermed skabe lys), ophidsede molekyler foretrækker at miste deres energi gennem vibrationer.

"Når emissionsbølgelængden skubbes længere ud i det, der betragtes som infrarødt, det bliver sværere at udvikle effektive emittere, forklarer professor Stéphane Kéna-Cohen fra Polytechnique Montréals Institut for Teknisk Fysik. "Meget få organiske materialer udsender effektivt i denne region (infrarød) af spektret."

Professor Kéna-Cohen og hans team formåede at finde en måde at reducere den spildte energi i infrarøde OLED'er sammensat af rent organiske molekyler. Kemiprofessor William G. Skene (Université de Montréal), udviklet to nye organiske forbindelser til at skabe denne nye OLED. Den nær-infrarøde emitter var inspireret af en klasse af molekyler, der tidligere blev brugt til biomedicinsk billeddannelse - hvilket nu gør det muligt at designe en helt organisk OLED med uovertrufne egenskaber.

Lys fra "mørke" trillinger

Når et organisk molekyle exciteres af en elektrisk strøm, den befinder sig i en af ​​to kvantetilstande:en singlet eller en triplet. For de fleste organiske molekyler, kun singlet-tilstanden vil producere brugbart lys. For at tripletter effektivt kan generere fotoner, tungmetalatomer skal indføres i molekylstrukturen, øge produktionsomkostningerne for OLED'er.

Professor Kéna-Cohen, Professor Skene, og deres team fandt en måde at udnytte tripletenergi uden at stole på metalatomer. Deres innovative løsning? De designede et organisk molekyle, hvor singlet- og triplettilstande har meget ens energiniveauer, gør det muligt for tripletterne at blive transformeret til emissive singletter gennem en proces kaldet termisk aktiveret forsinket fluorescens (TDAF).

Med sin emissionstop ved en bølgelængde på 840 nm, OLED designet af forskerholdet viste en kvanteeffektivitet på 3,8%. Sidstnævnte svarer til procentdelen af ​​elektroner, der cirkulerer gennem enheden, elektroner, som derefter omdannes til brugbart lys. Det er en ny verdensrekord for helt organiske OLED'er, der udsender over 800 nm - der overstiger effektiviteten af ​​de bedste fluorescerende OLED'er med over 300% - og når værdier, der kan sammenlignes med dem for OLED'er, der indeholder platinbaserede molekyler.

Nye muligheder inden for biomedicinske applikationer, ansigtsgenkendelse

Den nye OLED's exceptionelle effektivitet gør det muligt endelig at overveje at integrere infrarøde OLED'er i eksisterende skærmteknologier - såsom smartphones.

"Et kendetegn ved OLED'er er evnen til at fremstille enheder direkte på glas eller plastik, og over store områder – i skarp kontrast til konventionelle LED'er. Dette gør det muligt at bruge OLED'er i applikationer, som ellers ville være umulige for LED'er, " forklarer professor Kéna-Cohen.

"En af de største fordele ved OLED'er er deres lave produktionsomkostninger, " fortsætter professor Kéna-Cohen. "Men, de fleste OLED'er indeholder stadig dyre metaller som platin eller iridium, hvilket er problematisk for omkostningerne og med hensyn til bæredygtighed. Vores enhed bruger rent organiske molekyler."

Den Polytechnique Montréal-baserede professor bemærkede også, at fraværet af synlig lysemission fra de infrarøde OLED'er skabt af hans forskerhold også ville tillade deres brug i lysbaseret trådløs kommunikation (Li-Fi). Professor Kéna-Cohen fremhæver også, at disse verdensrekordbrydende OLED'er potentielt kan bruges til biomedicinske applikationer, til ansigtsgenkendelse, eller til natfotografering.

"iPhones bruger allerede infrarøde lasere til nogle ansigtsgenkendelses- og autofokusfunktioner - det er de typer applikationer, hvor infrarøde OLED'er kan være nyttige, " bemærker professor Kéna-Cohen.