Elektronische visuele displays hebben een lange weg afgelegd sinds de begindagen van kathodestraalbuizen. Moderne weergaveapparaten, gebaseerd op organische lichtgevende diodes (OLED's), zijn compact genoeg om ons overal mee naartoe te nemen, in draagbare apparaten zoals smartphones en smartwatches. Toch is er behoefte aan verdere verbeteringen in de prestaties van op OLED gebaseerde schermen, vooral met betrekking tot energie-efficiëntie en kleurzuiverheid, die beide een directe invloed hebben op het stroomverbruik. Onlangs heeft een team van onderzoekers van de twee instituten van de Poolse Academie van Wetenschappen (PAS), het Instituut voor Fysische Chemie PAS en het Instituut voor Organische Chemie PAS, en van de Silezische Universiteit van Technologie een reeks nieuwe chemische verbindingen voorgesteld om te dienen als de emitters van OLED's, waardoor we een stap dichter bij robuuste en duurzame technologieën in draagbare elektronica komen.

Elektronische visuele displays zijn alomtegenwoordig in ons dagelijks leven, in een mate die zelfs een paar decennia geleden ondenkbaar zou zijn geweest. Tot het begin van de jaren 2010 gebruikten de meeste draagbare apparaten liquid-crystal displays (LCD's), die fundamenteel worden beperkt door het feit dat ze geen eigen licht produceren, maar eerder het licht filteren dat wordt uitgestraald door een achtergrondverlichting. Als gevolg hiervan zijn LCD's relatief omvangrijk en hebben ze de neiging te lijden aan een slecht contrast tussen licht en donker. Aan de andere kant zenden op OLED gebaseerde schermen zelf licht uit, zonder dat er achtergrondverlichting nodig is. Daarom kunnen ze dunner en lichter worden gemaakt en een hoger contrast bereiken dan LCD's.

De lichtemitterende component van een OLED is een organische halfgeleiderlaag die is ingeklemd tussen twee elektroden, waarvan er één transparant is om licht door te laten. De kleur van het uitgestraalde licht hangt af van de samenstelling van de halfgeleiderlaag - verschillende emitterverbindingen geven aanleiding tot verschillende kleuren. Momenteel omvatten veelgebruikte emitterverbindingen heteroaromatische verbindingen en polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's), die een heldere emissie veroorzaken, maar ten koste van een lage kleurzuiverheid. Bovendien hebben veel van deze verbindingen een slechte chemische en thermische stabiliteit, wat de verwerking aanzienlijk bemoeilijkt en bijdraagt ​​aan de hoge fabricagekosten. Er is dus nog genoeg ruimte voor verbeteringen in het ontwerp van emitterverbindingen.

Geconfronteerd met deze uitdagingen hebben wetenschappers van drie vooraanstaande onderzoeksinstellingen in Polen de handen ineengeslagen om nieuwe moleculen voor te stellen voor toepassing als OLED-stralers. Hun onderzoeksconsortium werd geïnitieerd door Dr. Marcin Lindner van het Institute of Organic Chemistry, Polish Academy of Sciences. Dit project werd in gang gezet toen hij een reeks potentiële nieuwe emitters ontwierp op basis van aromatische elektronendonerende en -accepterende groepen, overbrugd door een anti-aromatische zevenledige ring. De inspiratie voor dit ontwerp werd geleverd door de observatie dat veel bestaande emitters een directe koppeling hebben tussen de donor en de acceptorgroepen, maar die opstelling brengt bepaalde voordelen met zich mee. Wat als de donor en de acceptordelen in plaats daarvan verbonden waren door een anti-aromatische ring? Een ander innovatief aspect van het ontwerp van Dr. Lindner is de keuze van de elektronendonerende groep:een met stikstof gedoteerde (of N-gedoteerde) PAK-groep. De stikstofdoping zorgt ervoor dat het moleculaire skelet een enigszins concave, komvormige geometrie aanneemt, wat ongewenste stapelinteracties in de gecondenseerde fase helpt verminderen.

Dr. Lindner zegt dat "het basisontwerp van onze N-gedoteerde PAK's behoorlijk flexibel bleek te zijn, en hun eigenschappen zeer reageren op de keuze van de elektronen-accepterende groep. We kunnen bijvoorbeeld het emissiemechanisme afstemmen tussen thermisch geactiveerde vertraagde fluorescentie (TADF) en kamertemperatuur fosforescentie (RTP). Dit geeft ons een hoge mate van controle over het emissieprofiel."

Nadat de N-gedoteerde PAK's waren gesynthetiseerd door de onderzoeksgroep van Dr. Lindner, werden hun optische en elektronische eigenschappen grondig gekarakteriseerd door prof. Przemysław Data, een spectroscopist van de Silesian University of Technology. Met name prof. De onderzoeksgroep van Data registreerde de emissiespectra van de N-gedoteerde PAK's onder verschillende omstandigheden en mat de energieniveaus van de moleculaire orbitalen.

Bovendien heeft prof. De groep van Data fabriceerde prototype-OLED's waarin de nieuwe verbindingen waren verwerkt en maten hun externe kwantumefficiëntie (EQE's). Het is de moeite waard gebleken dat de best presterende N-gedoteerde PAK's een EQE behaalden van 12%, hoger dan bestaande donor-acceptor-emitters van een vergelijkbaar type.

Het experimentele werk werd aangevuld met kwantumchemische berekeningen door het team onder leiding van Dr. Adam Kubas, een theoretisch chemicus van het Instituut voor Fysische Chemie, de Poolse Academie van Wetenschappen. Dr. Kubas en zijn groep voerden ultramoderne computersimulaties uit van de structuren en eigenschappen van de N-gedoteerde PAK's. Hun simulaties leverden inzichten op die niet toegankelijk zouden zijn geweest om alleen te experimenteren.

"In termen van elektronische structuur zijn de N-gedoteerde PAK's behoorlijk exotisch. De aanwezigheid van de zevenledige ring tussen de donor en de acceptoreenheden ontkoppelt de twee gedeeltelijk, maar niet volledig. Bijgevolg vertonen deze verbindingen een klein maar positief singlet -triplet energiehiaten, die de emissie door TADF vergemakkelijkt", legt Michał Kochman uit, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Dr. Kubas.

De volledige resultaten van deze studie zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie . Daar houdt het verhaal echter niet op:het onderzoeksconsortium zet zijn inspanningen voort om verbeterde emitters te ontwikkelen voor energiezuinige OLED-schermen. Het team denkt dat we binnenkort zullen horen over de tweede generatie N-gedoteerde PAK's met nog betere eigenschappen. De belangrijkste reden voor zo'n snelle vooruitgang is de betrokkenheid van specialisten uit verschillende gebieden die uiteenlopende vaardigheden en expertise inbrengen.

Dr. Kubas is het ermee eens:"Wetenschap van hoge kwaliteit heeft een interdisciplinaire houding nodig. In ons onderzoeksproject heeft de nauwe samenwerking tussen experimentele chemici en theoretici enkele veelbelovende nieuwe materialen gecreëerd met uitstekende opto-elektronische eigenschappen. Bovenal konden we een volledig nieuw paradigma demonstreren voor het ontwerp van sterk emitterende N-gedoteerde PAK's." + Verder verkennen

Chirale TADF-actieve polymeren voor zeer efficiënte, circulair gepolariseerde organische lichtemitterende diodes