Elektroniska visuella skärmar har kommit långt sedan katodstrålerörens tidiga dagar. Moderna displayenheter, baserade på organiska ljusemitterande dioder (OLED), är tillräckligt kompakta för att följa med oss ​​vart vi än går, i bärbara enheter som smartphones och smartklockor. Ändå finns det ett behov av ytterligare förbättringar av prestanda för OLED-baserade skärmar, särskilt när det gäller energieffektivitet och färgrenhet, som båda direkt påverkar strömförbrukningen. Nyligen föreslog ett team av forskare från de två instituten vid Polska vetenskapsakademin (PAS), Institute of Physical Chemistry PAS och Institute of Organic Chemistry PAS och från Silesian University of Technology en serie nya kemiska föreningar för att fungera som utsändare av OLED, vilket tar oss ett steg närmare robust och hållbar teknologi inom bärbar elektronik.

Elektroniska visuella skärmar är allestädes närvarande i våra dagliga liv, i den utsträckning som skulle ha varit otänkbar ens för några decennier sedan. Fram till början av 2010-talet använde de flesta bärbara enheter flytande kristallskärmar (LCD), som i grunden är begränsade av det faktum att de inte producerar något eget ljus, utan snarare filtrerar de ljuset som sänds ut från en bakgrundsbelysning. Som ett resultat är LCD-skärmar relativt skrymmande och tenderar att drabbas av dålig kontrast mellan ljus och mörker. Å andra sidan avger OLED-baserade skärmar ljus av sig själva, utan att behöva bakgrundsbelysning. Därför kan de göras tunnare och lättare och uppnå högre kontrast än LCD-skärmar.

Den ljusemitterande komponenten i en OLED är ett organiskt halvledarskikt inklämt mellan två elektroder, varav en är transparent för att släppa igenom ljus. Färgen på det emitterade ljuset beror på sammansättningen av halvledarskiktet – olika emitterföreningar ger upphov till olika färger. För närvarande inkluderar vanligen använda emitterföreningar heteroaromatiska föreningar och polycykliska aromatiska kolväten (PAH), som ger upphov till ljusa emissioner, men till priset av låg färgrenhet. Dessutom lider många av dessa föreningar av dålig kemisk och termisk stabilitet, vilket avsevärt komplicerar bearbetningen och bidrar till de höga tillverkningskostnaderna. Därför finns det fortfarande gott om utrymme för förbättringar i utformningen av emitterföreningar.

Inför dessa utmaningar har forskare från tre ledande forskningsinstitutioner i Polen gått samman för att föreslå nya molekyler för användning som OLED-sändare. Deras forskningskonsortium initierades av Dr. Marcin Lindner från Institutet för organisk kemi, polska vetenskapsakademin. Detta projekt sattes igång när han designade en serie potentiella nya sändare baserade på aromatiska elektrondonerande och -accepterande delar överbryggade av en antiaromatisk sju-ledad ring. Inspirationen till denna design gavs av observationen att många befintliga sändare har en direkt koppling mellan donator- och acceptordelen, men det arrangemanget för med sig vissa fördelar. Tänk om donator- och acceptordelen istället var förbundna med en antiaromatisk ring? En annan innovativ aspekt av Dr. Lindners design är valet av den elektrondonerande gruppen:en kvävedopad (eller N-dopad) PAH-enhet. Kvävedopningen gör att molekylskelettet antar en något konkav, skålliknande geometri, vilket hjälper till att minska oönskade staplingsinteraktioner i den kondenserade fasen.

Dr Lindner säger att "den grundläggande designen av våra N-dopade PAH visade sig vara ganska flexibel, och deras egenskaper är mycket känsliga för valet av den elektronaccepterande gruppen. Till exempel kan vi ställa in emissionsmekanismen mellan termiskt aktiverade fördröjd fluorescens (TADF) och rumstemperatur fosforescens (RTP). Detta ger oss en hög grad av kontroll över emissionsprofilen."

Efter att de N-dopade PAH:erna syntetiserats av Dr. Lindners forskargrupp, karakteriserades deras optiska och elektroniska egenskaper grundligt av prof. Przemysław Data, en spektroskopist från Silesian University of Technology. Särskilt har prof. Datas forskargrupp registrerade emissionsspektra för de N-dopade PAH:erna under olika uppsättningar av förhållanden och mätte energinivåerna för de molekylära orbitalen.

Dessutom har prof. Datas grupp tillverkade prototyper av OLED:er som inkorporerade de nya föreningarna och mätte deras externa kvanteffektivitet (EQE). Belöningsvärt fann man att den N-dopade PAH med bäst prestanda uppnådde en EQE på 12 %, högre än befintliga donator-acceptor-utsändare av liknande typ.

Det experimentella arbetet kompletterades med kvantkemiska beräkningar av teamet ledd av Dr. Adam Kubas, en teoretisk kemist från Institutet för Fysikalisk Kemi, Polska Vetenskapsakademin. Dr. Kubas och hans grupp körde state-of-the-art datorsimuleringar av strukturerna och egenskaperna hos de N-dopade PAH:erna. Deras simuleringar gav några insikter som skulle ha varit otillgängliga för att experimentera ensam.

"När det gäller elektronisk struktur är de N-dopade PAH:erna ganska exotiska. Närvaron av den sju-ledade ringen mellan donator- och acceptordelarna frikopplar delvis, men inte fullständigt, de två. Följaktligen uppvisar dessa föreningar en liten men positiv singlett. -triplettenergigap, vilket underlättar utsläpp från TADF", förklarar Michał Kochman, en postdoktor i gruppen av Dr. Kubas.

De fullständiga resultaten av denna studie publicerades i Angewandte Chemie . Historien slutar dock inte där:forskningskonsortiet fortsätter sina ansträngningar för att utveckla förbättrade strålare för energieffektiva OLED-skärmar. Teamet tror att vi snart kommer att få höra om den andra generationen av N-dopade PAH med ännu bättre egenskaper. Den viktigaste orsaken till så snabba framsteg är engagemanget av specialister från flera olika områden som tillför olika kompetenser och expertis.

Dr Kubas håller med:"Högkvalitativ vetenskap behöver en tvärvetenskaplig attityd. I vårt forskningsprojekt har det nära samarbetet mellan experimentella kemister och teoretiker skapat några lovande nya material med utmärkta optoelektroniska egenskaper. Framför allt skulle vi kunna visa ett helt nytt paradigm för utformningen av starkt emitterande N-dopade PAH." + Utforska vidare

Kirala TADF-aktiva polymerer för högeffektiva, cirkulärt polariserade organiska lysdioder