Undersøgelse af nitrogen-doterede polycykliske aromatiske kulbrinter til højtydende OLED'er

Elektroniske visuelle skærme er kommet langt siden katodestrålerørs tidlige dage. Moderne displayenheder, baseret på organiske lysdioder (OLED'er), er kompakte nok til at ledsage os, uanset hvor vi går, i bærbare enheder som smartphones og smartwatches. Alligevel er der behov for yderligere forbedringer i ydeevnen af ​​OLED-baserede skærme, især hvad angår energieffektivitet og farverenhed, som begge direkte påvirker strømforbruget. For nylig foreslog et team af forskere fra de to institutter i det polske videnskabsakademi (PAS), Institut for Fysisk Kemi PAS og Institut for Organisk Kemi PAS og fra Silesian University of Technology en række nye kemiske forbindelser til at fungere som udsender af OLED'er, hvilket tager os et skridt nærmere mod robuste og bæredygtige teknologier inden for bærbar elektronik.

Elektroniske visuelle skærme er allestedsnærværende i vores daglige liv, i et omfang, som ville have været utænkeligt selv for et par årtier siden. Indtil begyndelsen af ​​2010'erne brugte de fleste bærbare enheder flydende krystalskærme (LCD'er), som er fundamentalt begrænset af det faktum, at de ikke selv producerer lys, men snarere filtrerer lyset, der udsendes fra en baggrundsbelysning. Som et resultat er LCD-skærme relativt omfangsrige og har en tendens til at lide under dårlig kontrast mellem lys og mørke. På den anden side udsender OLED-baserede skærme lys af sig selv uden at have brug for baggrundsbelysning. Derfor kan de gøres tyndere og lettere og opnå højere kontrast end LCD-skærme.

Den lysemitterende komponent i en OLED er et organisk halvlederlag, der er klemt mellem to elektroder, hvoraf den ene er gennemsigtig for at lade lys passere igennem. Farven på det udsendte lys afhænger af sammensætningen af ​​halvlederlaget - forskellige emitterforbindelser giver anledning til forskellige farver. I øjeblikket omfatter almindeligt anvendte emitterforbindelser heteroaromatiske forbindelser og polycykliske aromatiske carbonhydrider (PAH'er), som giver anledning til lyse emissioner, men på bekostning af lav farverenhed. Desuden lider mange af disse forbindelser af dårlig kemisk og termisk stabilitet, hvilket komplicerer behandlingen betydeligt og bidrager til de høje fremstillingsomkostninger. Derfor er der stadig masser af plads til forbedringer i designet af emitterforbindelser.

Stillet over for disse udfordringer er forskere fra tre førende forskningsinstitutioner i Polen gået sammen om at foreslå nye molekyler til anvendelse som OLED-emittere. Deres forskningskonsortium blev initieret af Dr. Marcin Lindner fra Institut for Organisk Kemi, det polske Videnskabsakademi. Dette projekt blev sat i gang, da han designede en række potentielle nye emittere baseret på aromatiske elektrondonerende og -accepterende dele, der er brokoblet af en antiaromatisk syvleddet ring. Inspirationen til dette design blev givet af den observation, at mange eksisterende emittere har en direkte forbindelse mellem donor- og acceptordelene, men det arrangement medfører visse fordele. Hvad hvis donor- og acceptordelene i stedet var forbundet med en antiaromatisk ring? Et andet innovativt aspekt af Dr. Lindners design er valget af den elektrondonerende gruppe:en nitrogen-doteret (eller N-doteret) PAH-del. Nitrogen-dopingen får det molekylære skelet til at antage en let konkav, skållignende geometri, som hjælper med at reducere uønskede stablingsinteraktioner i den kondenserede fase.

Dr. Lindner siger, at "det grundlæggende design af vores N-dopede PAH'er viste sig at være ret fleksibelt, og deres egenskaber er meget lydhøre over for valget af den elektron-accepterende gruppe. For eksempel kan vi tune emissionsmekanismen mellem termisk aktiverede forsinket fluorescens (TADF) og stuetemperatur-phosphorescens (RTP). Dette giver os en høj grad af kontrol over emissionsprofilen."

Efter at de N-dopede PAH'er var syntetiseret af Dr. Lindners forskningsgruppe, blev deres optiske og elektroniske egenskaber grundigt karakteriseret af prof. Przemysław Data, en spektroskopist fra Silesian University of Technology. Især prof. Datas forskningsgruppe registrerede emissionsspektrene for de N-dopede PAH'er under forskellige sæt forhold og målte energiniveauerne for de molekylære orbitaler.

Desuden har prof. Datas gruppe fremstillede prototype-OLED'er, der inkorporerede de nye forbindelser og målte deres eksterne kvanteeffektiviteter (EQE'er). Det blev givende, at det blev fundet, at den bedst ydende N-doterede PAH opnåede en EQE på 12 %, højere end eksisterende donor-acceptor-emittere af en lignende type.

Det eksperimentelle arbejde blev suppleret med kvantekemiske beregninger af holdet ledet af Dr. Adam Kubas, en teoretisk kemiker fra Institute of Physical Chemistry, det polske videnskabsakademi. Dr. Kubas og hans gruppe kørte state-of-the-art computersimuleringer af strukturerne og egenskaberne af de N-dopede PAH'er. Deres simuleringer gav nogle indsigter, som ville have været utilgængelige at eksperimentere alene.

"Med hensyn til elektronisk struktur er de N-dopede PAH'er ret eksotiske. Tilstedeværelsen af ​​den syv-leddede ring mellem donor- og acceptordelene afkobler delvist, men ikke fuldstændigt, de to. Følgelig udviser disse forbindelser en lille, men positiv singlet. -triplet energigab, som letter emission fra TADF," forklarer Michał Kochman, en postdoc-forsker i gruppen af ​​Dr. Kubas.

De fulde resultater af denne undersøgelse blev offentliggjort i Angewandte Chemie . Historien slutter dog ikke der:Forskningskonsortiet fortsætter sine bestræbelser på at udvikle forbedrede emittere til energieffektive OLED-skærme. Holdet tror, ​​at vi snart vil høre om anden generation af N-dopede PAH'er med endnu bedre egenskaber. Hovedårsagen til så hurtige fremskridt er inddragelsen af ​​specialister fra flere forskellige områder, som tilfører forskellige færdigheder og ekspertise.

Dr. Kubas er enig:"Videnskab af høj kvalitet har brug for en tværfaglig holdning. I vores forskningsprojekt har det tætte samarbejde mellem eksperimentelle kemikere og teoretikere skabt nogle lovende nye materialer med fremragende optoelektroniske egenskaber. Frem for alt kunne vi demonstrere et helt nyt paradigme for designet af stærkt emitterende N-dopede PAH'er." + Udforsk yderligere

Chirale TADF-aktive polymerer til højeffektive, cirkulært polariserede organiske lysemitterende dioder