Поиск новых материалов для OLED-технологий – одно из самых молодых и перспективных направлений в люминесцентной физике. Ученые ФИАНа впервые в мире продемонстрировали возможность использования однокомпонентных полупроводниковых квантовых нанопластин в качестве излучающих центров в OLED-светодиодах. Физико-химические свойства полученных квазидвумерных структур позволяют называть их перспективными материалами для создания гибридных светодиодов с требуемыми для RGB-устройств характеристиками.

         Органические светоизлучающие диоды (OLED^[1]) – это полупроводниковые приборы, изготовленные из органических соединений и обладающие способностью к электролюминесценции. Впервые электролюминесценция органических соединений была обнаружена французским ученым А. Бернанозом в 50-х годах ХХ века. Однако говорить об эре OLED-технологий стали позднее, когда в 80-х компанией Eastman Kodak было изготовлено первое устройство на их основе. Разработки же технологий промышленного производства ведутся только последние 15-20 лет.

Схема работы простейшей двухслойной OLED-панели:
1. Катод(−). 2 и 4. Органические слои – эмиссионный (2) и проводящий(4).
3. Испускаемое излучение, 5. Анод (+)(источник).
При подаче разности потенциалов, поток электронов движется от катода к аноду, обогащая эмиссионный слой электронами. Анод, поглощая электроны из проводящего слоя, обогащает последний «дырками», которые начинают свое движение к границе органических слоев. При встрече электронов эмиссионного слоя и дырок проводящего слоя происходит их рекомбинация, которая сопровождается испусканием (эмиссией) фотона в области видимого света. Поскольку дырки в органических соединениях обладают большей подвижностью нежели электроны, излучение происходит ближе к эмиссионному слою, в результате чего он и получил свое название. В современных OLED-панелях число слоев превышает 2, что улучшает качество цветопередачи и светимость панели. К тому же цвет испускаемого света зависит от типа полимерного слоя, что также требует использования большого числа органических слоев для создания многоцветных панелей

    Технология OLED считается на сегодняшний день одной из самых перспективных. Во-первых, OLED-приборы отличаются высокой экономичностью и эргономичностью. Поскольку этим световым панелям не требуется внешних источников подсветки и световых фильтров (источником выступает сам полимерный материал), они потребляют меньше энергии по сравнению со всеми распространенными ныне устройствами. К тому же удаление дополнительных устройств делает их намного тоньше, нежели плазменные и жидкокристаллические аналоги. Во-вторых, время отклика органических полимеров короче, нежели у широко применяемых сегодня неорганических. Это, в свою очередь увеличивает скорость обновления изображения на экране. В-третьих, качество излучаемого света в них превышает «неорганические аналоги». Это позволяет создавать панели с великолепным цветовоспроизведением.

    Однако, OLED-технологии обладают и рядом существенных минусов, мешающих выйти на широкий коммерческий простор. Прежде всего, сюда следует отнести крайне малый срок службы – порядка 2-3 лет. И здесь OLED-панели весьма основательно уступают плазменным и жидкокристаллическим аналогам. Другой немаловажной проблемой является слабая отработанность, трудность и дороговизна OLED-технологий. Как оказалось, органические полимеры весьма критичны к внешним воздействиям: даже малейший контакт с окружающей средой безвозвратно выводит дисплей из строя за считанные минуты. А потому изготовление OLED-дисплеев требует строгого контроля за чистотой производственных линий и за полной герметичностью изделий, что весьма удорожает производство и делает его точечным. И, наконец, на сегодняшний день так и не разрешена в полной мере проблема создания экранов средних и больших размеров. В основном все сегодняшние OLED-дисплеи ограничиваются размерами смартфонов и планшетов.

    Однако современная наука не стоит на месте, занимаясь поиском все новых полимеров, способных решить эти проблемы.

         Поиск новых материалов привел к созданию в 1993 году методами коллоидной химии органических светодиодов с неорганическими нанокристаллами в качестве излучающих центров. Эти нанокристаллы называются квантовыми точками. Новая технология получила название QD-OLED^[2]. Это направление оказалось перспективным для решения означенных проблем, а потому и развивается наиболее активно в последние два десятилетия.

    «Повышенный интерес к гибридным светодиодам вызван такими свойствами квантовых точек, как люминесценция в узком диапазоне волн, высокая фотофизическая стабильность и возможность эффективного управления ими за счет квантоворазмерных явлений и эффектов формы, – объясняет старший научный сотрудник Отдела люминесценции ФИАН Андрей Ващенко. – Чаще всего, плоский слой квантовых точек, – как правило, это нанокристаллы CdSe, CdS и др., – располагается между электронными и дырочными органическими слоями. Иногда происходит неглубокое внедрение квантовых точек в органические слои. Эти внедренные неорганические нанокристаллы и выполняют роль активных излучающих центров QD-OLED устройства.»

    Квантовые точки могут быть различной формы и размера, но чаще всего это сферы диаметром 4-6 нм. Получаемые гибридные светодиоды, как ожидается, могут решить, по меньшей мере, одну из сложнейших проблем – критичность к внешнему воздействию: теоретически подобные материалы могут работать даже на воздухе, без дополнительной герметизации. Это, в свою очередь, позволит упростить и технологию производства новых панелей, параллельно снизив ее стоимость. Да и высокая стабильность физико-химических характеристик нанокристаллов позволяет надеяться на увеличение срока жизни панелей.

    Помимо широко распространенных и активно изучаемых сферических квантовых точек в последние несколько лет учеными-химиками были синтезированы полупроводниковые квазидвумерные коллоидные структуры – так называемые нанопластинки. Обычно они имеют продольные размеры 30-200 нм и толщину в несколько атомных слоев. За счет малых толщин пластины получаются, фактически, идеально гладкими, что в свою очередь обеспечивает узкие спектры фотолюминесценции. Время жизни флуоресценции полученных образцов также весьма короткое. Эти свойства делают нанопластинки весьма привлекательным объектом для создания гибридных светодиодов. Однако до недавнего времени эта область люминесцентной физики оставалась мало исследованной. И именно на нее обратила внимание научная группа Отдела люминесценции ФИАНа под руководством А.Г. Витухновского.

    В синтезе квантовых нанопластинок фиановцам помогли химики из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, которые под руководством Р.Б. Васильева занимаются созданием таких структур уже не первый год.

         «Нам впервые в мире удалось создать светодиод, где в качестве излучающего элемента выступали не отдельные нанокристаллы, а однокомпонентная квантовая нанопластина CdSe, размером в 20-70 нм и толщиной в несколько атомных слоев, – рассказывает Андрей Ващенко, один из участников научной группы. – Сначала у нас были только теоретические предпосылки: оптические свойства пластинок делают их идеальными кандидатами на роль излучающих элементов. А когда такую пластину поместили в многослойную OLED-структуру, она, к нашему большому удовлетворению, "заработала". Так нами был разработан совершенно новый гибридный светодиод с длиной волны излучения 515 нм, который мы назвали NPL-OLED^[3].»

Схематическое изображение светодиода NPL-OLED
с излучающим слоем нанопластинок CdSe, органическими транспортными слоями электронов (TAZ) и дырок (TPD), катодом (Al), стеклянной подложкой с нанесенным на нее прозрачным анодом (ITO) и слоем PEDOT:PSS, из которого в активные слои инжектируются дырки

    Особенностью предлагаемого метода является внедрение в OLED-структуру однокомпонентных квантовых пластин, что обеспечивает привлекательные эксплуатационные характеристики. Исследование оптических и электрофизических свойств NPL-OLED показало, что такие структуры обладают низкими значениями рабочего напряжения, спектрально чистым цветом и коротковолновой электролюминесценцией. В совокупности такие характеристики делают гибридные светодиоды привлекательными, прежде всего, для RGB-дисплеев.

    «Конечно, в настоящее время сделать новый экран для телефона из них не сможем: мы находимся лишь на стадии лабораторных исследований. Да и дать прогноз, когда же именно эти технологии будут внедрены в повседневную жизнь, очень трудно. А с другой стороны, головокружительная по скорости эволюция компьютерной техники от полупроводниковых чипов к наноразмерным кристаллам, не позволяет утверждать, что наша работа – лишь «чистая» наука, и больше ничего. Мы работаем на будущее, а когда оно наступит… Вот будущее и покажет» – отметил в заключение Андрей Ващенко.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

_______________________________

^[1]   OLED – аббревиатура от organic light-emitting diode (дословно – органический излучающий (испускающий) свет диод). Источник  ↑

^[2]   QD – аббревиатура от quantum dot (квантовая точка).  ↑

^[3]   NPL – аббревиатура от nanoplatelet (нанопластинка)  ↑