LEC вместо OLED: будущее экологичного освещения

У всех нас есть свои страхи. Рациональные, иррациональные, основанные на личном опыте или опыте других, преодолимые и всепоглощающие. Какие-то страхи, словно модные веяния, приходят и уходят, а причиной тому часто является превращение предмета или явления, ранее вызывающего страх, в нечто обыденное. К примеру, люди, ставшие первыми зрителями кино, были явно далеки от состояния полной релаксации во время своего первого сеанса. Но есть и страхи, которые пронизывают всю историю человечества, беря начало еще в среде первых людей. К таким страхам относится и боязнь темноты, а точнее того, что может в ней скрываться. Не удивительно, что изобретение источников искусственного света, является одним из первых. Человек прошел долгий путь от факелов и свечей до светодиодов и лазеров. Но поиски нового типа освещения не прекратились. Ученые из университета Кюсю (Фукуока, Япония) разработали новый тип светоизлучающих электрохимических ячеек (LEC), использовав молекулы дендримеры и электролиты из биомассы. Полученный LEC не только экологичен, но и весьма производителен. Как именно создавался LEC, каков принцип его работы, и чем он лучше OLED? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Как уже было сказано выше, одной из особенностей LEC являются дендримеры — макромолекулы с симметричной древообразной с регулярными ветвлениями структурой. Дендримеры являются полимерами, которые демонстрируют точную и контролируемую молекулярную массу и высокую растворимость. Необычность заключается в том, что эти характеристики присущи малым молекулам.

Из-за их высокой растворимости дендримеры привлекательны для всех технологий, основанных на методах мокрого изготовления. К примеру, точно подобранный молекулярный дизайн привел к значительным прорывам в органических светоизлучающих диодах (OLED от organic light-emitting diode), обработанных раствором, поскольку их уникальная поляризованная электронная структура позволяет создавать материалы с термоактивированной замедленной флуоресценцией (TADF от thermally activated delayed fluorescence). В такой конструкции все генерируемые экситоны* в тонкопленочном освещении полностью используются путем преобразования триплетных экситонов в синглетные посредством эффективного обратного интеркомбинационного кроссинга (rISC от reverse intersystem crossing), которому способствует малое энергетическое расщепление возбужденных синглетных и триплетных состояний (ΔE_ST).

Экситон* — квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике, полупроводнике или металле, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

OLED на основе дендримеров в недавних опытах достигли значения внешней квантовой эффективности (EQE от external quantum efficiency), близкой к 30%.

В свою очередь, LEC — это простейшее тонкопленочное светоизлучающее устройство с одним активным слоем на основе ионов, приготовленным с помощью недорогих технологий на основе растворов с использованием воздухостабильных электродов. При смещении LEC демонстрируют эффективную ионно-стимулированную инжекцию заряда за счет формирования двойных электрических слоев (EDL от electric double layers) на границах раздела электродов и ионно-контролируемого роста фронтов p-/n-легирования, а электронно-дырочная рекомбинация происходит в собственной нейтральной зоне (i) динамически формируемого p–i–n перехода. Таким образом, LEC демонстрируют высокий допуск по толщине, что позволяет изготавливать гибкие подложки и/или сложные трехмерные формы. Кроме того, простая архитектура LEC облегчает изготовление одноразовых или многоразовых устройств. В целом, LEC отлично подходят для приложений умного освещения и аспектов устойчивого развития.


Изображение №1

Самые эффективные LEC устройства со средним сроком службы в сотни часов при > 500 кд/м² и световой эффективности > 10 лм/Вт основаны либо на редкоземельных излучателях, таких как ионный иридий (III) или на дорогих сопряженных полимерах (CP от conjugated polymer).

В последние десятилетия было проведено множество исследований, целью которых был поиск альтернативных эмиттеров. Были предприняты попытки использования комплексов Cu(I). Сегодня наиболее эффективные синие, желтые и красные LEC на основе Cu(I) имеют яркость 180, 140 и 30 кд/м² и срок службы 25, 0.2 и 20 часов соответственно. Также некоторые ученые предложили использовать органические малые молекулы, охватывающие широкий спектр семейств, а именно: бензотиадизол, перилен, нанографен, пентацен, форфирин, молекулы TADF на основе карбазола и т. д. В синей и желтой областях была достигнута хорошая яркость (>500 кд/м²) при умеренном сроке службы (< 5 часов), а в красной области была достигнута высокая стабильность (< 10⁴ часов) при плохой яркости (< 30 кд/м²). Вывод из этого экскурса прост — идеального эммитера для LEC пока еще никто не нашел.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предложили метод внедрения и оптимизации излучателей TADF на основе карбазол-дендримера как нового семейства излучателей для LEC (сокращенное название «Dendri-LEC»). В частности, архетипический дендример tBuG2TAZ был выбран в качестве эталона, в то время как новый дендример MeOG2TAZ был синтезирован и охарактеризован для демонстрации легкой настраиваемости цветности устройства и весьма значимого повышения стабильности устройства.

В то время как tBuG2TAZ демонстрирует механизм TADF, связанный с квантовым выходом фотолюминесценции (PLQY от photoluminescence quantum yield) в тонких пленках (≈ 60%) и ярко-зеленой электролюминесценцией в традиционных LEC (4.0 лм/Вт при 110 кд/м²), стабильность устройства умеренная по сравнению с излучателями LEC предыдущего поколения из-за электрохимической деградации в процессе эксплуатации (90 или 103 часа при 100 кд/м² (T_L100)).

Напротив, LEC на основе MeOG2TAZ достигли умеренного желтого излучения (3.2 лм/Вт при 55 кд/м²) из-за более низкого PLQY в тонкой пленке (≈ 30%), в то время как стабильность устройства оставалась на очень высоком уровне, достигая более 1050 часов (> 1.5 месяца) или T_L100 = 450 часов, что на сегодняшний день является одним из лучших зарегистрированных источников желтого излучения.

И самое важное, эти характеристики сохраняются в LEC без оксида индия-олова (ITO от indium–tin oxide) с электродами на основе графена и новыми электролитами на основе биогенной целлюлозы, что подчеркивает их потенциал для создания действительно устойчивых и высокопроизводительных осветительных устройств.

Результаты исследования

Для проведения опытов были подготовлены tBuG2TAZ и MeOG2TAZ. Целевое соединение было выделено в виде желтого твердого вещества с хорошим выходом (66%). В сухом толуольном растворе оба соединения демонстрируют одинаковую форму спектра поглощения с тремя полосами с центрами в области высоких энергий ≈ 300 и 350 нм, которые связаны с переходами