Синій органічний світлодіод на 1,47 В
Синій органічний світлодіод на 1,47 В
Синій колір є найважливішим складовим кольором у світловипромінювальних пристроях, оскільки він має найвищу енергію серед трьох основних кольорів у дисплеях, а біле випромінювання в освітлювальних приладах переважно створюється джерелом синього світла. Органічні світлодіоди (organic light-emitting diodes, OLED) вже комерціалізовані; однак сині OLED мають проблему — для свічення вони вимагають високої прикладеної напруги, приблизно 4 В, що зумовлено високою енергією фотонів синього світла, приблизно 3 еВ. Для промислового використання дуже бажано працювати з синіми OLED-дисплеями в межах 3,7 В, що є номінальною напругою літій-іонних акумуляторів, найпоширеніших у мобільних пристроях. У новому дослідженні [1] демонструється початок синього випромінювання з піковою довжиною хвилі 462 нм (2,68 еВ) за прикладеної напруги 1,47 В, тобто від одного АА-елемента живлення. За напруги 1,97 V новий OLED досягає яскравості 100 кд/м2, що еквівалентно яскравості типового дисплея. Важливо, що це реалізовано на основі типового синього люмінофора, який широко використовується в комерційних дисплеях.
Фізичний принцип синього випромінювання в новому UC-OLED (upconversion OLED) полягає у вибірковому збудженні низькоенергетичних триплетних станів при низькій прикладеній напрузі за допомогою стану з переносом заряду (charge transfer (CT) state) та подальшій триплет-триплетній анігіляції (triplet-triplet annihilation, TTA), в процесі якої утворюється один емісійний синглетний екситон з двох триплетних екситонів.
Механізм роботи звичайного флуоресцентного OLED проілюстровано на Рис. 1а. Співвідношення утворення першого синглетного збудженого стану (S1) і триплетного (T1) становлять 25% і 75%, відповідно, через правило спінової статистики (теорема Паулі). В той час як релаксація S1 створює випромінювання, релаксація T1 переважно відбувається безвипромінювально, тобто є втратами. Проте певний відсоток “темного” T1 сприяє флуоресценції через процес триплет-триплетної анігіляції (TTA). Ідея цієї роботи полягає в тому, що вибіркове збудження низькоенергетичного T1 у звичайному випромінювачі та подальша флуоресценція на основі TTA з високою ефективністю дозволяють суттєво знизити необхідну прикладену напругу.
Механізм роботи UC-OLED показаний на Рис. 1b. Спочатку дірки та електрони вводяться в донорний і акцепторний шари, відповідно, і рекомбінуються на донорно-акцепторному інтерфейсі, щоб утворити СТ стан. Згодом енергія СТ стану передається до Т1 емітера. У ньому синє світло випромінюється через утворення високоенергетичного S1 через процес TTA. Через набагато нижчу енергію стану СТ, ніж енергія забороненої зони емітера, процес UC через TTA значно зменшує необхідну прикладену напругу (Vappl) для збудження молекули емітера порівняно зі звичайним синім флуоресцентним OLED.
Рис. 1a/b
Дослідники прогнозують, що результати роботи будуть важливі не лише для галузі OLED, але й для органічної фотовольтаїки.
1. Izawa, S., Morimoto, M., Fujimoto, K. et al. Blue organic light-emitting diode with a turn-on voltage of 1.47 V. Nat Commun 14, 5494 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41208-7 (Open access).
