Vilniaus universiteto Chemijos ir geomokslų fakulteto Chemijos instituto kartu Fotonikos ir nanotechnologijų instituto mokslininkų publikuotas straipsnis „Realization of deep-blue TADF in sterically controlled naphthyridines for vacuum- and solution-processed OLEDs“ sulaukė pripažinimo – straipsnis įtrauktas į Karališkosios chemikų draugijos (RSC) žurnalo „Journal of Materials Chemistry C“ 50 populiariausių straipsnių rinkinį. Atsižvelgiant į tai, kad šiame žurnale kasmet publikuojama kone 2000 mokslinių darbų, patekimas tarp 50 populiariausiųjų rodo išskirtinį VU mokslininkų darbo aktualumą.
Šį straipsnį parengę VU chemikai Tomas Javorskis, Vytenis Vaitkevičius, Edvinas Orentas ir fizikai Gediminas Kreiza, Dovydas Banevičius, Justina Jovaišaitė, Saulius Juršėnas ir Karolis Kazlauskas vieningai sutinka, kad tai neeilinis įvertinimas.
„Šiame moksliniame žurnale per metus paskelbiama apie porą tūkstančių mokslinių darbų įvairiomis tarpdisciplininėmis temomis, pristatomos perspektyvios optiniams ir elektroniniams prietaisams skirtos medžiagos, demonstruojamos šių medžiagų taikymo įvairiuose jutikliuose, tranzistoriuose, saulės celėse, šviestukuose ir kituose prietaisuose galimybės. Nepaskęsti tokioje plačioje temų jūroje yra rimtas iššūkis. Buvimas lyderių gretose rodo, kad mūsų grupės pasirinkta tyrimo sritis yra aktuali, o vykdomi darbai labai svarbūs mokslo bendruomenei“, – sako mokslininkų grupės vadovas dr. K. Kazlauskas.
Ilgas kelias efektyvumo link
Straipsnyje aprašomi tyrimai skirti 3-ios kartos mėlyna spinduliuote pasižymintiems organiniams junginiams, dar kitaip vadinamiems šiluma aktyvuojamos uždelstosios fluorescencijos (angl. thermally activated delayed fluorescence – TADF) spinduoliais.
Iš fundamentinės fizikos yra žinoma, kad organiniuose šviestukuose (angl. organic light emitting diode – OLED) trys ketvirčiai sukuriamų sužadinimų yra iš prigimties tamsios tripletinės būsenos. Naudojant 1-os kartos organinius spinduolius, šie tamsūs sužadinimai yra prarandami, tad šviestukų maksimalus efektyvumas tegali siekti 25 proc. 2-os kartos spinduoliai, kitaip dar vadinami fosforescenciniais, gali apeiti šį ribojimą, tačiau, kad tai įvyktų, į juos cheminės sintezės būdu turi būti įterpiami brangiųjų metalų (pvz., iridžio) atomai. Deja, tai smarkiai pabrangina spinduolius ir iš jų pagamintus OLED. Papildomas trūkumas yra ir tai, kad 2-os kartos mėlyną šviesą skleidžiantys spinduoliai pasižymi aukštos energijos sužadintais lygmenimis. Juos sužadinus yra ardomi cheminiai ryšiai pačiame spinduolyje, dėl to neišvengiamai mažėja šių spinduolių efektyvumas ir OLED veikimo trukmė.
Ypatingos molekulinės architektūros 3-ios kartos TADF spinduoliai, savo struktūroje net neturintys sunkiųjų metalų atomų, geba visas tamsias tripletines būsenas konvertuoti į spindulines singuletines būsenas. Dėl šios priežasties šio tipo organiniai spinduoliai yra santykinai pigūs ir gali būti 100 proc. efektyvūs. Svarbu pažymėti, kad kol kas dar nepavyko realizuoti mėlyno TADF spinduolio, iš kurio pagaminto šviestuko veikimo trukmė būtų pakankamai ilga ir tinkama OLED pramonei.
„Šiuo metu aukšto našumo bei ilgaamžių mėlynos spalvos spinduolių plėtra vis dar kelia daug iššūkių. Pakeitus juos naujausios kartos TADF spinduoliais, tikimasi sumažinti energijos nuostolius, atpiginti gamybos sąnaudas ir galiausiai pailginti jų veikimo trukmę, o tai ypač svarbu praktiniuose OLED taikymuose“, – sako dr. K. Kazlauskas.
3-ios kartos OLED technologijos pagrindu jau galima pagaminti žalius ir raudonus šviestukus, pasižyminčius puikiu efektyvumu ir labai ilga veikimo trukme. Tačiau to paties negalima pasakyti apie mėlynus šviestukus dėl mėlynų TADF spinduolių trūkumo.
„Siauros spektro juostos ir giliai mėlynos emisijos (<460 nm) TADF spinduoliai yra nepaprastai reikalingi, kad būtų įgyvendinta OLED ekranų technologinė revoliucija. Vis dėlto aukšto našumo, tinkamo spektro ir veikimo charakteristikų mėlynų spinduolių plėtra yra rimtas iššūkis viso pasaulio tyrėjams“, – mano dr. G. Kreiza.
Sukūrė naujus spinduolius
Ieškodami atsakymo į mėlynų TADF spinduolių klausimą, VU tyrėjai atsigręžė į karbazolo ir naftiridino pagrindu pagamintus donorinio-akceptorinio tipo spinduolius. Pasitelkę cheminę inžineriją, mokslininkai sukūrė 3-ios kartos spinduolius su erdviškai išsuktomis karbazolo – naftiridino grupėmis. Papildomai įvesti metilo pakaitai užtikrino didesnį karbazolo grupių išsisukimą nuo centrinio naftiridino fragmento ir beveik tris kartus paspartino uždelstąją fluorescenciją ir atgalinę interkombinacinę konversiją – procesus, nuo kurių spartos priklauso organinio šviestuko našumas, efektyvumo nuokrytis ir OLED prietaiso ilgaamžiškumas.
Karbazolo – naftiridino TADF spinduolių cheminės struktūros, elektroliuminescencijos spektrai ir OLED prietaiso nuotrauka
Svarbus tyrimo akcentas yra tai, kad sukurtus naujus spinduolius galima naudoti tiek vakuuminio garinimo, tiek liejimo iš tirpalo metodais formuojamų OLED gamyboje. Kelių gamybos metodų pasirinkimas gali suteikti daugiau galimybių komercializuoti išradimus, kadangi mažo ploto OLED ekranai, pavyzdžiui, mobiliesiems įrenginiams, yra gaminami formuojant šviestukus vakuume, o štai didelio ploto OLED apšvietimo skydeliams gaminti tinkamesnė yra liejimo iš tirpalo technologija.
Karbazolo – naftiridino TADF spinduolių cheminės struktūros, elektroliuminescencijos spektrai ir OLED prietaiso nuotrauka
„Dėl atsirandančių technologinių iššūkių šiluminio garinimo vakuume technologijos nėra tinkamos didelio ploto ekranų ar apšvietimo prietaisų gamybai. Pastariesiems taikymams, o ypač tiems, kurie naudoja vadinamąją roll to roll (iš ritinio į ritinį) gamybos technologiją, yra tinkamesnis liejimo iš tirpalo metodas. Mūsų liejimo iš tirpalo būdu pagaminti mėlyni OLED prototipai pasižymi puikiais rezultatais ir savo šviesinėmis savybėmis niekuo nenusileidžia šviestukams, pagamintiems šiluminio garinimo vakuume būdu“, – sako dokt. D. Banevičius.
Publikacijoje trumpai aprašoma organinių medžiagų sintezės procedūra, aptariamos 3-ios kartos spinduolių fotofizikinės savybės ir demonstruojami skirtingais būdais pagamintų OLED parametrai. Ir nors šiame darbe yra atskleidžiamos tik optimizuotų OLED prietaisų struktūros, viso tyrimo metu buvo pagamintos ir ištestuotos daugiau nei trys dešimtys skirtingų šviestukų konfigūracijų, kol galiausiai surasta geriausius veikimo parametrus demonstruojanti OLED struktūra.
„Šis tyrimas, apimantis organinių šviestukų gamybos ir optimizavimo darbus, užtruko ilgiau nei aštuonis mėnesius. Formuodami OLED prototipus, juos tirdami ir tobulindami nuosekliai ėjome puikiai subalansuoto prietaiso link. Kadangi organinį šviestuką sudaro 5–6 itin ploni organiniai sluoksniai, kurių bendras storis yra apie 100 nm, tai net 5 nm storio fliuktuacijos gali įnešti radikalių pokyčių. Naudodami skirtingas technologijas padarėme apie 35 skirtingas organinių šviestukų variacijas“, – sako dokt. D. Banevičius.
„Keičiant įvairius technologinius parametrus galima keisti OLED spektro padėtį ir plotį, pagerinti krūvininkų injekciją ir balansą struktūros viduje, taip padidinti prietaisų našumą ir ilgaamžiškumą“, – papildo dr. G. Kreiza.
Šiuo metu mokslinė grupė gavo LMT finansavimą naujam projektui, skirtam mėlynų organinių šviestukų veikimo trukmę ribojantiems veiksniams identifikuoti ir eliminuoti. Taip tikimasi pailginti 3-ios kartos šviestukų amžių.
„Stengsimės išsiaiškinti, kokie veiksniai riboja mėlynų TADF šviestukų ilgaamžiškumą. Taikydami teorinius ir eksperimentinius metodus sieksime nustatyti šių veiksnių kilmę ir jų eliminavimo būdus. Panaudoję jau sukauptą patirtį ieškosime naujų medžiagų, pasižyminčių efektyvia šiluma aktyvuojama uždelstąja fluorescencija. Tikimės, kad mūsų indėlis į 3-ios kartos OLED plėtrą bus įtvirtintas serijoje aukšto lygio mokslinių publikacijų“, – apie ateities darbus pasakoja dr. K. Kazlauskas.
Tyrimus, minimus straipsnyje „Realization of deep-blue TADF in sterically controlled naphthyridines for vacuum- and solution-processed OLEDs“, atliko VU Fotonikos ir nanotechnologijų instituto mokslininkai Gediminas Kreiza, Dovydas Banevičius, Justina Jovaišaitė, Saulius Juršėnas, Karolis Kazlauskas ir Chemijos ir geomokslų fakulteto tyrėjai Tomas Javorskis, Vytenis Vaitkevičius ir Edvinas Orentas. Tyrimai finansuoti iš Europos socialinio fondo lėšų (projekto Nr. 09.3.3-LMT-K-712-01-0084) pagal dotacijos sutartį su Lietuvos mokslo taryba.