Du kan inte se det med blotta ögat, men en ny fluorescerande organisk ljusemitterande diod (OLED) kan belysa utvecklingen av innovativa applikationer i enheter som smartphones och tv-skärmar som använder nära-infrarött ljus. Skapad genom det kombinerade arbetet av ingenjörer från Polytechnique Montréal och kemister från Université de Montréal, denna fluorescerande OLED är 300 % effektivare än befintliga OLED i sin kategori. Forskargruppen publicerade nyligen detaljer i tidskriften Avancerade funktionella material .

I motsats till konventionella ljusemitterande dioder (lysdioder) - som genererar fotoner med perfekt monterade halvledarkristaller - avger OLED -ljus ljus genom användning av organiska molekyler som består av kol, kväve, och syre. Används redan i smartphone-skärmar och avancerade tv-apparater, OLED -tekniken är redan väl etablerad. Men trots adoption av industrin, viktiga utmaningar måste fortfarande övervinnas för att driva denna teknik framåt.

På ett sådant exempel är att blå OLED:er står inför stabilitetsproblem, vilket leder till mycket snabbare nedbrytning än deras gröna och röda motsvarigheter. På andra sidan spektrumet, infraröda OLED:er tenderar att vara mycket ineffektiva - istället för att avge fotoner vid infraröda våglängder (vilket skapar ljus), exciterade molekyler föredrar att förlora sin energi genom vibrationer.

"När emissionsvåglängden pressas längre ut i vad som anses vara infrarött, det blir svårare att utveckla effektiva utsläpp, förklarar professor Stéphane Kéna-Cohen från Polytechnique Montréals institution för teknisk fysik. "Väldigt få organiska material släpper ut effektivt i denna region (infraröd) av spektrumet."

Professor Kéna-Cohen och hans team lyckades hitta ett sätt att minska den bortkastade energin i infraröda OLED-enheter som består av rent organiska molekyler. Kemiprofessor William G. Skene (Université de Montréal), utvecklat två nya organiska föreningar för att skapa denna nya OLED. Den nära-infraröda sändaren inspirerades av en klass molekyler som tidigare använts för biomedicinsk avbildning-vilket nu gör det möjligt att designa en helt organisk OLED med oöverträffade egenskaper.

Ljus från "mörka" trillingar

När en organisk molekyl exciteras av en elektrisk ström, den befinner sig i ett av två kvanttillstånd:en singlet eller en triplet. För de flesta organiska molekyler, endast singlettillståndet kommer att producera användbart ljus. För trillingar att effektivt generera fotoner, tungmetallatomer måste införas i molekylstrukturen, öka produktionskostnaden för OLED.

Professor Kéna-Cohen, Professor Skene, och deras team hittade ett sätt att utnyttja trilling energi utan att förlita sig på metallatomer. Deras innovativa lösning? De designade en organisk molekyl där singlett- och tripletttillstånd har mycket liknande energinivåer, tillåta trillingarna att omvandlas till emissiva singlets genom en process som kallas termiskt aktiverad fördröjd fluorescens (TDAF).

Med sin emissionstopp vid en våglängd på 840 nm, OLED som designats av forskargruppen visade en kvanteffektivitet på 3,8 %. Den senare motsvarar andelen elektroner som cirkulerar genom enheten, elektroner som sedan omvandlas till användbart ljus. Det är ett nytt världsrekord för helt organiska OLED:er som avger över 800 nm – som överstiger effektiviteten för de bästa fluorescerande OLED:erna med över 300 % - och når värden som är jämförbara med de för OLED:er som innehåller platinabaserade molekyler.

Nya möjligheter inom biomedicinska tillämpningar, ansiktsigenkänning

Den nya OLED:s exceptionella effektivitet gör det möjligt att äntligen överväga att integrera infraröda OLED:er i befintliga bildskärmsteknologier – som smartphones.

"En utmärkande egenskap hos OLED är förmågan att tillverka enheter direkt på glas eller plast, och över stora ytor - i skarp kontrast till konventionella lysdioder. Detta gör att OLED:er kan användas i applikationer som annars skulle vara omöjliga för lysdioder, " förklarar professor Kéna-Cohen.

"En av de största fördelarna med OLED är deras låga tillverkningskostnad, " fortsätter professor Kéna-Cohen. "Men, de flesta OLED:er innehåller fortfarande dyra metaller som platina eller iridium, vilket är problematiskt för kostnad och hållbarhet. Vår enhet använder rent organiska molekyler."

Den Polytechnique Montréal-baserade professorn noterade också att frånvaron av synlig ljusemission från de infraröda OLED:erna som skapats av hans forskargrupp också skulle tillåta deras användning i ljusbaserad trådlös kommunikation (Li-Fi). Professor Kéna-Cohen framhåller också att dessa världsrekord OLED kan potentiellt användas för biomedicinska tillämpningar, för ansiktsigenkänning, eller för nattfotografering.

"iPhones använder redan infraröda lasrar för vissa ansiktsigenkänning och autofokusfunktioner - det här är den typ av applikationer där infraröda OLED -enheter kan vara användbara, " konstaterar professor Kéna-Cohen.