Уникальный метод виртуального проектирования органических светодиодов разработали ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ). По словам авторов, данная технология на основе квантовой химии позволит многократно сократить время на создание и выход на рынок новых OLED-устройств – высококачественных дисплеев и источников света. Результаты опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry A.
Органические светодиоды (OLED) — перспективное направление полупроводниковой наноэлектроники, обеспечивающее компактные, дешевые и высокоэффективные источники света и пиксели дисплеев.
По словам ученых НИЯУ МИФИ, созданный ими на основе квантовохимических расчетов метод подбора молекул-излучателей позволит во много раз ускорить и облегчить создание разнообразных OLED третьего поколения, переведя эту работу в область компьютерного моделирования.
"Мы пересмотрели принципы молекулярного дизайна излучателей, проанализировав молекулу бис-карбазолилфталонитрила (2CzPN) — текущего чемпиона по эффективности. Исследовав разнонаправленные процессы, характерные для этой молекулы и других органических полупроводников, мы выделили ключевые черты их строения, способствующие эффективному свечению", — объяснила ассистент кафедры физики конденсированных сред ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ, кандидат химических наук Александра Фрейдзон.
Излучение света в OLED происходит за счет явления рекомбинации, то есть столкновения носителей противоположных зарядов — электронов и так называемых дырок, представляющих собою молекулы или атомы, лишенные электрона.
Квантовая эффективность первого поколения OLED не превышала 25 процентов, тогда как в третьем поколении, над которым ученые работают сейчас, удается задействовать уже 100 процентов электронно-дырочных пар. Возможным это стало благодаря использованию одного из внутримолекулярных процессов — термически активированной задержанной флуоресценции (TADF).
Ранее считалось, что эффективный TADF-излучатель состоит из двух частей, взаимодействие между которыми должно быть минимально. Однако, по словам ученых НИЯУ МИФИ, они установили еще целый ряд свойств, которыми должен обладать материал, чтобы излучение в нем эффективно конкурировало с безызлучательными процессами.
"Только мы смогли применить квантовохимический метод, дающий высокую точность в положении уровней энергии молекулы. Это критически важно в теории TADF, поскольку погрешности в положении уровней качественно меняют всю картину. Более того, мы смогли собрать воедино все процессы, приводящие к TADF и конкурирующие с ним, и оценить их скорости в рамках единой модели, без дополнительных приближений", — отметила Александра Фрейдзон.
Компьютерный скрининг материалов с четкими критериями отбора поможет резко сократить объем экспериментальной работы и ускорить открытие и выход на рынок новых эффективных излучателей третьего поколения OLED, объяснили ученые НИЯУ МИФИ.
Использованный квантовохимический метод требует сложных расчетов, но, как сообщили авторы работы, полученные данные позволят также откалибровать и повысить качество более простых и дешевых методов исследования органических полупроводников.
Работа выполнена в сотрудничестве с Центром Фотохимии РАН в рамках гранта РНФ No.19-13-00383. В настоящее время научный коллектив разрабатывает элементы искусственного интеллекта, которые помогут в обработке массивов данных для более эффективного скрининга.