Wytrzymałe emitery niebieskiego światła zwiększają trwałość organicznych diod elektroluminescencyjnych
Białe diody OLED stanowią fundament nowej generacji wyraźnych, cienkich i wydajnych paneli, które emitują jaśniejsze, bardziej jednolite światło przy dużo mniejszym zużyciu energii w porównaniu z fluorescencyjnymi źródłami światła. Białe diody OLED powstają w wyniku połączenia trzech materiałów fosforescencyjnych, wydzielających światło w trzech barwach podstawowych – czerwonej, zielonej i niebieskiej. Do tej pory jednak wytwarzanie wydajnego i stabilnego materiału emitującego niebieskie światło przerastało możliwości technologii. W celu wytworzenia wydajnych białych organicznych diod elektroluminescencyjnych, w których nie będą występowały metale ziem rzadkich, naukowcy zatrudnieni do pracy przy finansowanym przez UE projekcie PHEBE skupili się na procesie znanym pod nazwą aktywowanej termicznie opóźnionej fluorescencji (thermally activated delayed fluorescence, TADF). Dokonując naukowych przełomów na tym polu, uczestnikom projektu udało się opracować i zaprezentować innowacyjne emitery światła niebieskiego, które są tańsze w wykonaniu i bardziej przyjazne dla środowiska naturalnego. Przełom w dziedzinie trwałości Dotychczas niska trwałość emiterów światła niebieskiego była poważnym problemem, który uniemożliwiał szerokie użycie fosforescencyjnych emiterów opartych na diodach OLED w zastosowaniach komercyjnych. Fosforescencyjne diody OLED są wykonywane z materiału bazowego (zwykle polimeru), na który nakłada się związki organiczno-metaliczne oparte na metalach ziem rzadkich, takich jak na przykład iryd. „Dotychczas uważano, że trwałość diod wykonanych w technologii OLED jest niezależna od materiału bazowego. Opracowanie odpowiednich kombinacji materiałów emitujących światło oraz materiałów bazowych okazało się kluczem do wydłużenia żywotności diod wykonanych w technologii OLED”, stwierdził koordynator projektu Giles Brandon. Staranny dobór materiałów organicznych wykorzystywanych w emiterze stanowi kolejny ważny czynnik, który pozwoli źródłom światła opartym na technologii OLED zyskać znaczący odsetek rynku oświetlenia. „Nasze badania wykazały, że w celu optymalizacji żywotności emiterów wykonanych w technologii TADF konieczne jest wykorzystanie materiałów organicznych o szczególnie wysokiej czystości wynoszącej nawet do 99,9 %. To z kolei wymaga uważnego przyjrzenia się ścieżkom syntezy prowadzącym do wytwarzania materiału organicznego”, dodał Brandon. Odkrywanie fotofizyki leżącej u podstaw technologii TADF Ogólnie rzecz ujmując, czynnikiem, który w największym stopniu ogranicza efektywność kwantową diod OLED jest fakt, że promienisty zanik z metastabilnego stanu trypletowego do podstawowego stanu singletowego jest niemożliwy. Dzięki wykorzystaniu materiałów fluorescencyjnych zastępujących dotychczas stosowane materiały fosforescencyjne, technologia TADF pozwala na rozwiązanie tego problemu i opracowanie wysokowydajnego emitera światła niebieskiego. Molekuły opierające się na tym mechanizmie zostały opracowane w taki sposób, że różnice energetyczne pomiędzy wzbudzonym stanem singletowym i metastabilnym stanem trypletowym są dużo niższe niż w przypadku typowych molekuł organicznych. Ta różnica w energii pozwala na występowanie odwróconych przejść międzysystemowych (reverse intersystem crossing, RISC). Naukowcy pracujący nad projektem PHEBE uznali za kluczowe zadanie określenie czynników wpływających na poziom odwróconych przejść międzysystemowych w emiterach wykonanych w technologii TADF w celu zwiększenia wydajności diod OLED. Osiągnięte rezultaty w znaczącym stopniu zwiększają naszą wiedzę na temat fotofizyki leżącej u podstaw technologii TADF dzięki skupieniu się na trzystanowym modelu dla odwróconych przejść międzysystemowych, zamiast na modelu dwustanowym. Nowy model demonstruje, że sprzężenie spinowo-orbitalne pomiędzy najniższymi stanami singletowymi i trypletowymi jest umożliwiane przez trzeci stan trypletowy. To właśnie ten mechanizm sprzężenia spinowo-wibronowego znacznie zwiększa poziom odwróconych przejść międzysystemowych. Obiecujące wyniki na polu efektywności energetycznej przyniosły przede wszystkim badania nad wewnątrzmolekularnymi systemami przenoszenia ładunków oraz międzymolekularnymi systemami przenoszenia ładunków w ekscypleksach, które umożliwiają występowanie zjawiska aktywowanej termicznie opóźnionej fluorescencji. Jak zauważył koordynator projektu Giles Brandon, opracowany w jego ramach „wysoce wydajny emiter niebieskiego światła OLED wykorzystujący zjawisko aktywowanej termicznie opóźnionej fluorescencji osiąga wydajność kwantową na poziomie 18 %, podobnie jak najlepsze fosforescencyjne emitery światła niebieskiego”. Pomimo tego, 50 % okres żywotności opracowanych emiterów był bardzo krótki, wynosił bowiem około dwóch godzin. Konsorcjum nadal ma przed sobą wiele pracy, zanim uda mu się opracować nowy materiał, który będzie mógł zostać wykorzystany w komercyjnym oświetleniu OLED, jednak wszystko wskazuje na to, że przed tą technologią otwiera się świetlana przyszłość.
Słowa kluczowe
PHEBE, organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED), aktywowana termicznie opóźniona fluorescencja (TADF), okres żywotności, emitery światła niebieskiego, odwrócone przejścia międzysystemowe (RISC), wydajność kwantowa, oświetlenie OLED
