Organiska lysdioder (OLED)-skärmar är nu mycket populära funktioner i många vanliga produkter, inklusive smartphones och tv-apparater. OLED har fördelarna av att vara låg kostnad, ljus, flexibel, och lätt att ändra, vilket gör dem till idealiska displaymaterial. Dock, nuvarande OLED:er som uppnår kommersiellt gångbara kvanteffektiviteter innehåller sällsynta metallatomer som iridium och platina som ökar kostnaderna och minskar hållbarheten. Nu, ett internationellt team inklusive forskare från Osaka University har rapporterat den bäst presterande tungatomfria OLED i sitt slag.

Även om OLED:er som inte innehåller tunga atomer - som sällsynta metaller och halogener - är ett självklart val för att minska kostnaderna och förbättra produkternas långsiktiga livskraft, de tungatomfria sändare som för närvarande finns tillgängliga har begränsningar.

Material som kallas termiskt aktiverade fördröjda fluorescens (TADF) emitters är effektiva; dock, de har vanligtvis breda emissionsspektra som gör dem mer lämpade för användning som ljuskällor än som de exakta sändare som krävs för displayapplikationer. En annan typ av tung-atom-fri emitter är rumstemperatur fosforescens (RTP) emitters; dock, OLED:erna använder mycket låg effektivitet <1 %, på grund av släckning av långlivade triplet-excitoner i enheten.

Forskarna slog därför samman mekanismerna för TADF- och RTP-fenomen för att producera en hybridsändare som kombinerar egenskaper hos båda systemen. Deras TADF/RTP-material – kallat SiAz – innehåller bara kol, väte, kväve, och kiselatomer, som är lätta att få naturligt rikliga element, gör SiAz livskraftig för utbredd användning.

"Energinivågaperna i de exciterade tillstånden av ett emitterande material bestämmer hur materialen kan bete sig vid exciteringen och emissionen de producerar, "förklarar motsvarande författare Youhei Takeda." Att kombinera de två mekanismerna innebar att vi kunde förändra hur en excitonisk molekyl genomgår övergång mellan de spin- och energiskt olika tillstånden för att producera de övergripande egenskaper som vi ville ha. Specifikt, genom att justera energinivåerna, vårt material kan använda termiskt uppkonverteringssystem för att producera RTP."

Forskarna uppnådde en hög grad av kontroll över energinivåerna genom noggrant urval av värdmaterialet som emittermolekylen impregnerades i - vilket möjliggjorde termiskt aktiverad övergång av det energimässigt lägsta triplettexciterade tillståndet till det högre tripletttillståndet för emittermolekylerna till bestråla ren RTP på ett effektivt sätt. SiAz-materialet användes framgångsrikt i en enhet som uppnådde en extern kvanteffektivitet på 4 %, vilket är det bäst rapporterade hittills för en tungatomfri OLED baserad på RTP.

"Vi hoppas att ytterligare ansträngningar att förstå struktur-egenskapsrelationerna för dessa hybridsystem kommer att göra det möjligt för oss att identifiera tydliga designprinciper framöver, "Förklarar Takeda." Tillämpningen av den kontroll som vi har visat förväntas leda till den utbredda tillgängligheten av tungatomfria OLED-produkter och högupplösta bioavbildningsmedel som är hållbara och kostnadseffektiva. "