Химики создали для органических светодиодов материал на основе комплекса меди

Группа химиков из России и стран ЕС разработала новый материал для органических светодиодов на основе комплекса меди. Российский коллектив рассчитал молекулярные параметры соединения, немецкие ученые синтезировали сам комплекс и сконструировали светодиод, швейцарская группа изучила свойства материала с помощью сверхбыстрой рентгеновской спектроскопии. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

От предшественников новый материал отличается сочетанием низкой стоимости, высокой эффективности и повышенной устойчивости. «Светодиоды за последние годы произвели настоящий переворот в индустрии осветительных приборов. С каждым годом все чаще используются дисплеи на основе органических светодиодов (OLED). Основные преимущества технологии OLED — низкое энергопотребление при высокой яркости и возможность создания тонких и гибких экранов. Последние модели современных телевизоров, телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов имеют дисплеи именно такого типа. Но существует и оборотная сторона медали: яркие органические светодиоды часто включают в себя редкие химические элементы — например, иридий или рутений. Из-за этого создание больших светоизлучающих матриц стоит очень дорого. Задача нашего крупного международного коллектива заключалась в разработке материала для бюджетного и эффективного органического светодиода»,— рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Сергей Кетков, доктор химических наук, заведующий лабораторией строения металлоорганических и координационных соединений Института металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева РАН (ИМХ РАН, Нижний Новгород).

Теоретические разработки научной группы из ИМХ РАН позволили определить особенности электронного строения комплекса, заранее спланировать условия экспериментов по исследованию фотофизических свойств нового материала и впоследствии интерпретировать полученные экспериментальные результаты, заложив основы для будущих исследований. Кроме того, с помощью методов квантовой химии российским ученым удалось представить, как изменяется электронная плотность молекулы в процессах переноса энергии, и отразить это на схемах.

Синтезом соединения занимались химики из Германии. Исследователям удалось получить новый люминесцирующий комплекс, содержащий каркас из четырех атомов меди, связанных с атомами углерода и фосфора, и сконструировать на его основе прототип органического светодиода, используя центрифугирование. Синтезированное соединение оказалось очень перспективным из-за отличных параметров выделения света, поэтому его отправили на дальнейшее исследование.

Ученые из Швейцарии экспериментально изучали сверхбыстрые процессы, происходящие в молекулах комплекса. Работа OLED основана на переходе молекул в возбужденные электронные состояния с последующей потерей энергии в виде излучения света. С помощью уникальной рентгеновской спектроскопии исследователи выяснили механизмы переноса энергии, приводящие к излучению света с высоким выходом, а также определили, как изменяются электрические заряды на атомах меди при переходах.

Содержащие медь светодиоды будут стоить гораздо меньше, чем нынешние OLED на основе соединений иридия и прочих редких элементов. Разработанный учеными материал окажется особенно полезен при создании осветителей большой площади, для которых необходимо использование внушительного количества светодиодов. Исследователи из Швейцарии отмечают, что знания, полученные ими при изучении механизмов работы светодиода, в будущем помогут в создании новых, еще более мощных источников света.

Taking a snapshot of the triplet excited state of an OLED organometallic luminophore using X-rays; Grigory Smolentsev, Christopher J. Milne, Alexander Guda, Kristoffer Haldrup, Jakub Szlachetko, Nicolo Azzaroli, Claudio Cirelli, Gregor Knopp, Rok Bohinc, Samuel Menzi, Georgios Pamfilidis, Dardan Gashi, Martin Beck, Aldo Mozzanica, Daniel James, Camila Bacellar, Giulia F. Mancini, Andrei Tereshchenko, Victor Shapovalov, Wojciech M. Kwiatek, Joanna Czapla-Masztafiak, Andrea Cannizzo, Michela Gazzetto, Mathias Sander, Matteo Levantino, Victoria Kabanova, Elena Rychagova, Sergey Ketkov, Marian Olaru, Jens Beckmann, Matthias Vogt; журнал Nature Communications, май 2020