Excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) möjliggör organiska ljusemitterande dioder (OLED) som är mycket effektiva genom att skapa de nödvändiga förutsättningarna för att möjliggöra termiskt aktiverad fördröjd fluorescens (TADF). Efter excitation av den emitterande molekylen, en väteatom - tekniskt sett, bara dess kärna -- överförs till en annan atom i samma molekyl genom en process som kallas ESIPT. Den omkonfigurerade molekylen kan sedan genomgå TADF för att omvandla en stor del av excitationerna till ljus. Efter utsläpp, molekylen återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Denna mekanism ökar de molekylära designstrategierna som är tillgängliga för att skapa nya och förbättrade ljusemitterande material. Kredit:William J. Potscavage, Jr.
Förnyad undersökning av en molekyl som ursprungligen syntetiserades med målet att skapa ett unikt ljusabsorberande pigment har lett till upprättandet av en ny designstrategi för effektiva ljusemitterande molekyler med tillämpningar i nästa generations displayer och belysning.
Forskare vid Kyushu Universitys Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) visade att en molekyl som något ändrar sin kemiska struktur före och efter emission kan uppnå en hög effektivitet i organiska ljusemitterande dioder (OLED).
Förutom att producera livfulla färger, OLED kan tillverkas till allt från små pixlar till stora och flexibla paneler, vilket gör dem extremt attraktiva för displayer och belysning.
I en OLED, elektriska laddningar som injiceras i tunna filmer av organiska molekyler samlas för att bilda energipaket - kallade excitoner - som kan producera ljusemission.
Målet är att omvandla alla excitoner till ljus, men tre fjärdedelar av de skapade excitonerna är trillingar, som inte producerar ljus i konventionella material, medan den återstående fjärdedelen är singletter, som avges genom en process som kallas fluorescens.
Inkluderande av en sällsynt metall, såsom iridium eller platina, i en molekyl kan möjliggöra snabb emission från tripletterna genom fosforescens, som för närvarande är den dominerande tekniken för högeffektiva OLED:er.
En alternativ mekanism är användningen av värme i miljön för att ge trillingar en energikick som är tillräcklig för att omvandla dem till ljusavgivande singletter.
Denna process, känd som termiskt aktiverad fördröjd fluorescens (TADF), uppstår lätt vid rumstemperatur i lämpligt utformade molekyler och har den extra fördelen att undvika kostnaden och minskad molekylär designfrihet som är förknippad med sällsynta metaller.
Dock, de flesta TADF-molekyler förlitar sig fortfarande på samma grundläggande designstrategi.
"Många nya TADF-molekyler rapporteras varje månad, men vi fortsätter att se samma underliggande design med elektrondonerande grupper kopplade till elektronaccepterande grupper, " säger Masashi Mamada, huvudforskare i studien som rapporterar de nya resultaten.
"Att hitta fundamentalt olika molekylära konstruktioner som också uppvisar effektiv TADF är en nyckel till att låsa upp nya egenskaper, och i detta fall, vi hittade en genom att titta på det förflutna med ett nytt perspektiv."
För närvarande, kombinationer av donerande och accepterande enheter används främst eftersom de ger ett relativt enkelt sätt att trycka runt elektronerna i en molekyl och få de villkor som behövs för TADF.
Även om metoden är effektiv och en stor variation av kombinationer är möjliga, nya strategier önskas fortfarande i strävan att hitta perfekta eller unika sändare.
Mekanismen som forskarna utforskade denna gång involverar reversibel överföring av en väteatom - tekniskt sett, bara dess positiva kärna - från en atom i den emitterande molekylen till en annan i samma molekyl för att skapa ett arrangemang som gynnar TADF.
Denna överföring sker spontant när molekylen exciteras med optisk eller elektrisk energi och är känd som exciterad-tillstånd intramolekylär protonöverföring (ESIPT).
Denna ESIPT-process är så viktig i de undersökta molekylerna att kvantkemiska beräkningar av forskarna indikerar att TADF inte är möjlig före överföring av vätgas.
Efter excitation, vätet överförs snabbt till en annan atom i molekylen, leder till en molekylstruktur som kan TADF.
Vätet överförs tillbaka till sin ursprungliga atom efter att molekylen avger ljus, och molekylen är sedan redo att upprepa processen.
Även om TADF från en ESIPT-molekyl har rapporterats tidigare, detta är den första demonstrationen av högeffektiv TADF som observerats inuti och utanför en enhet.
Denna mycket olika designstrategi öppnar dörren för att uppnå TADF med en mängd nya kemiska strukturer som inte skulle ha övervägts baserat på tidigare strategier.
Intressant, molekylen som forskarna använde var med största sannolikhet en besvikelse när den först syntetiserades för nästan 20 år sedan av kemister i hopp om att skapa ett nytt pigment bara för att upptäcka att molekylen är färglös.
"Ekologiska molekyler slutar aldrig att förvåna mig, " säger professor Chihaya Adachi, Direktör för OPERA. "Det finns många vägar med olika fördelar och nackdelar för att uppnå samma mål, och vi har fortfarande bara skrapat på ytan av vad som är möjligt."
Fördelarna med denna designstrategi har precis börjat undersökas, men ett särskilt lovande område är relaterat till stabilitet.
Molekyler som liknar den undersökta är kända för att vara mycket resistenta mot nedbrytning, så forskare hoppas att dessa typer av molekyler kan bidra till att förbättra livslängden för OLED.
För att se om så är fallet, tester pågår nu.
Medan bara tiden kommer att utvisa hur långt denna strategi kommer att gå, de ständigt växande alternativen för OLED-sändare bådar verkligen gott för deras framtid.
