Met het blote oog kun je het niet zien, maar een nieuwe fluorescerende organische lichtemitterende diode (OLED) zou licht kunnen werpen op de ontwikkeling van innovatieve toepassingen in apparaten zoals smartphone- en televisieschermen die gebruik maken van nabij-infrarood licht. Gemaakt door het gecombineerde werk van ingenieurs van Polytechnique Montréal en chemici van Université de Montréal, deze fluorescerende OLED is 300% efficiënter dan bestaande OLED's in zijn categorie. Het onderzoeksteam publiceerde onlangs details in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

In tegenstelling tot conventionele light-emitting diodes (LED's) - die fotonen genereren met behulp van perfect geassembleerde halfgeleiderkristallen - zenden OLED's licht uit door het gebruik van organische moleculen die zijn samengesteld uit koolstof, stikstof, en zuurstof. Reeds in gebruik in smartphoneschermen en high-end televisies, OLED-technologie is al goed ingeburgerd. Maar ondanks acceptatie door de industrie, belangrijke uitdagingen moeten nog worden overwonnen om deze technologie vooruit te helpen.

Een voorbeeld hiervan is dat blauwe OLED's te maken hebben met stabiliteitsproblemen, die tot veel snellere degradatie leidt dan hun groene en rode tegenhangers. Aan de andere kant van het spectrum, infrarood OLED's zijn meestal erg inefficiënt - in plaats van fotonen uit te zenden op infrarode golflengten (waardoor licht wordt gecreëerd), geëxciteerde moleculen verliezen bij voorkeur hun energie door trillingen.

"Naarmate de emissiegolflengte verder naar buiten wordt geduwd in wat als infrarood wordt beschouwd, het wordt moeilijker om efficiënte emitters te ontwikkelen, legt professor Stéphane Kéna-Cohen uit van de afdeling Technische Natuurkunde van Polytechnique Montréal. "Zeer weinig organische materialen zenden efficiënt uit in deze regio (infrarood) van het spectrum."

Professor Kéna-Cohen en zijn team zijn erin geslaagd een manier te vinden om de verspilde energie te verminderen in infrarood OLED's die zijn samengesteld uit puur organische moleculen. Professor in de chemie William G. Skene (Université de Montréal), ontwikkelde twee nieuwe organische verbindingen om deze nieuwe OLED te creëren. De bijna-infraroodstraler is geïnspireerd op een klasse moleculen die eerder werd gebruikt voor biomedische beeldvorming, waardoor het nu mogelijk is om een ​​volledig organische OLED te ontwerpen met ongeëvenaarde eigenschappen.

Licht van "donkere" drieling

Wanneer een organisch molecuul wordt geëxciteerd door een elektrische stroom, het bevindt zich in een van de twee kwantumtoestanden:een singlet of een triplet. Voor de meeste organische moleculen geldt alleen de singlet-status zal bruikbaar licht produceren. Voor tripletten om efficiënt fotonen te genereren, zware metaalatomen moeten in de moleculaire structuur worden geïntroduceerd, verhoging van de productiekosten van OLED's.

Professor Kena-Cohen, Professor Skene, en hun team vond een manier om triplet-energie te benutten zonder afhankelijk te zijn van metaalatomen. Hun innovatieve oplossing? Ze ontwierpen een organisch molecuul waarin singlet- en triplet-toestanden zeer vergelijkbare energieniveaus hebben, waardoor de tripletten kunnen worden omgezet in emitterende singlets via een proces dat thermisch geactiveerde vertraagde fluorescentie (TDAF) wordt genoemd.

Met zijn emissiepiek bij een golflengte van 840 nm, de door het onderzoeksteam ontworpen OLED vertoonde een kwantumefficiëntie van 3,8%. Dit laatste komt overeen met het percentage elektronen dat door het apparaat circuleert, elektronen die vervolgens worden omgezet in bruikbaar licht. Het is een nieuw wereldrecord voor volledig organische OLED's die meer dan 800 nm uitstralen - wat de efficiëntie van de beste fluorescerende OLED's met meer dan 300% overtreft - en waarden bereiken die vergelijkbaar zijn met die van OLED's die op platina gebaseerde moleculen bevatten.

Nieuwe mogelijkheden in biomedische toepassingen, gezichtsherkenning

De uitzonderlijke efficiëntie van de nieuwe OLED maakt het mogelijk om eindelijk te overwegen om infrarood OLED's te integreren in bestaande weergavetechnologieën, zoals smartphones.

"Een onderscheidend kenmerk van OLED's is de mogelijkheid om apparaten rechtstreeks op glas of plastic te vervaardigen, en over grote oppervlakken - in schril contrast met conventionele LED's. Hierdoor kunnen OLED's worden gebruikt in toepassingen die anders onmogelijk zouden zijn voor LED's, " legt professor Kéna-Cohen uit.

"Een van de grootste voordelen van OLED's zijn hun lage productiekosten, " vervolgt professor Kéna-Cohen. "Echter, de meeste OLED's bevatten nog steeds dure metalen zoals platina of iridium, wat problematisch is qua kosten en qua duurzaamheid. Ons apparaat gebruikt puur organische moleculen."

De professor uit Polytechnique Montréal merkte ook op dat de afwezigheid van zichtbare lichtemissie van de infrarood OLED's die door zijn onderzoeksteam zijn gemaakt, ook het gebruik ervan in op licht gebaseerde draadloze communicatie (Li-Fi) mogelijk zou maken. Professor Kéna-Cohen benadrukt ook dat deze wereldrecordbrekende OLED's mogelijk kunnen worden gebruikt voor biomedische toepassingen, voor gezichtsherkenning, of voor nachtfotografie.

"iPhones gebruiken al infraroodlasers voor sommige gezichtsherkennings- en autofocusfuncties - dit zijn de soorten toepassingen waarbij infrarood-OLED's nuttig kunnen zijn, " merkt professor Kéna-Cohen op.