Hernieuwd onderzoek naar een molecuul dat oorspronkelijk werd gesynthetiseerd met als doel een uniek lichtabsorberend pigment te creëren, heeft geleid tot de totstandkoming van een nieuwe ontwerpstrategie voor efficiënte lichtemitterende moleculen met toepassingen in displays en verlichting van de volgende generatie.

Onderzoekers van het Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) van de Kyushu University hebben aangetoond dat een molecuul dat zijn chemische structuur voor en na emissie enigszins verandert, een hoog rendement kan behalen in organische lichtemitterende diodes (OLED's).

Naast het produceren van levendige kleuren, OLED's kunnen in alles worden verwerkt, van kleine pixels tot grote en flexibele panelen, waardoor ze uiterst aantrekkelijk zijn voor displays en verlichting.

Bij een OLED, elektrische ladingen die in dunne films van organische moleculen worden geïnjecteerd, komen samen om energiepakketten te vormen - excitonen genaamd - die lichtemissie kunnen produceren.

Het doel is om alle excitonen om te zetten in licht, maar driekwart van de gecreëerde excitonen zijn tripletten, die geen licht produceren in conventionele materialen, terwijl het resterende kwart singlets zijn, die uitzenden via een proces dat fluorescentie wordt genoemd.

Opname van een zeldzaam metaal, zoals iridium of platina, in een molecuul kan een snelle emissie van de drieling door fosforescentie mogelijk maken, wat momenteel de dominante technologie is voor zeer efficiënte OLED's.

Een alternatief mechanisme is het gebruik van warmte in de omgeving om drielingen een energetische boost te geven die voldoende is om ze om te zetten in lichtgevende singlets.

Dit proces, bekend als thermisch geactiveerde vertraagde fluorescentie (TADF), komt gemakkelijk voor bij kamertemperatuur in geschikt ontworpen moleculen en heeft het extra voordeel dat de kosten en verminderde moleculaire ontwerpvrijheid geassocieerd met zeldzame metalen worden vermeden.

Echter, de meeste TADF-moleculen vertrouwen nog steeds op dezelfde basisontwerpbenadering.

"Elke maand worden er veel nieuwe TADF-moleculen gerapporteerd, maar we blijven hetzelfde onderliggende ontwerp zien met elektronendonerende groepen verbonden met elektronenaccepterende groepen, " zegt Masashi Mamada, hoofdonderzoeker van de studie die de nieuwe resultaten rapporteert.

"Het vinden van fundamenteel verschillende moleculaire ontwerpen die ook efficiënte TADF vertonen, is een sleutel tot het ontsluiten van nieuwe eigenschappen, en in dit geval we hebben er een gevonden door met een nieuw perspectief naar het verleden te kijken."

Momenteel, combinaties van donerende en accepterende eenheden worden voornamelijk gebruikt omdat ze een relatief eenvoudige manier bieden om de elektronen in een molecuul rond te duwen en de voorwaarden te verkrijgen die nodig zijn voor TADF.

Hoewel de methode effectief is en een grote verscheidenheid aan combinaties mogelijk is, nieuwe strategieën zijn nog steeds gewenst in de zoektocht naar perfecte of unieke emitters.

Het mechanisme dat de onderzoekers deze keer hebben onderzocht, omvat de omkeerbare overdracht van een waterstofatoom - technisch gezien, alleen zijn positieve kern - van het ene atoom in het emitterende molecuul naar het andere in hetzelfde molecuul om een ​​regeling te creëren die bevorderlijk is voor TADF.

Deze overdracht vindt spontaan plaats wanneer het molecuul wordt aangeslagen met optische of elektrische energie en staat bekend als aangeslagen toestand intramoleculaire protonoverdracht (ESIPT).

Dit ESIPT-proces is zo belangrijk in de onderzochte moleculen dat kwantumchemische berekeningen van de onderzoekers aangeven dat TADF niet mogelijk is vóór overdracht van de waterstof.

Na opwinding, de waterstof gaat snel over naar een ander atoom in het molecuul, wat leidt tot een moleculaire structuur die in staat is tot TADF.

De waterstof gaat terug naar zijn oorspronkelijke atoom nadat het molecuul licht uitzendt, en het molecuul is dan klaar om het proces te herhalen.

Hoewel eerder is gerapporteerd over TADF van een ESIPT-molecuul, dit is de eerste demonstratie van zeer efficiënte TADF die binnen en buiten een apparaat is waargenomen.

Deze enorm verschillende ontwerpstrategie opent de deur voor het bereiken van TADF met een verscheidenheid aan nieuwe chemische structuren die op basis van eerdere strategieën niet zouden zijn overwogen.

interessant, het molecuul dat de onderzoekers gebruikten, was hoogstwaarschijnlijk een teleurstelling toen het bijna 20 jaar geleden voor het eerst werd gesynthetiseerd door scheikundigen in de hoop een nieuw pigment te maken, alleen om te ontdekken dat het molecuul kleurloos is.

"Organische moleculen blijven me verbazen, " zegt professor Chihaya Adachi, directeur van OPERA. "Er zijn veel wegen met verschillende voor- en nadelen om hetzelfde doel te bereiken, en we hebben nog maar de oppervlakte bekrast van wat mogelijk is."

De voordelen van deze ontwerpstrategie beginnen nog maar net te worden onderzocht, maar een bijzonder veelbelovend gebied houdt verband met stabiliteit.

Van moleculen die vergelijkbaar zijn met de onderzochte is bekend dat ze zeer resistent zijn tegen afbraak, dus hopen onderzoekers dat dit soort moleculen kunnen helpen om de levensduur van OLED's te verbeteren.

Om te kijken of dit het geval is, testen zijn nu aan de gang.

Hoewel alleen de tijd zal uitwijzen hoe ver deze specifieke strategie zal gaan, de voortdurend groeiende opties voor OLED-stralers voorspellen zeker veel goeds voor hun toekomst.