All'interno dei nuovi OLED, gli scienziati illuminano anche l'oscurità più oscura. La foto è stata scattata al Museo Neon di Varsavia. Credito:Fonte IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski
I display visivi elettronici hanno fatto molta strada dai primi giorni dei tubi a raggi catodici. I moderni dispositivi di visualizzazione, basati su diodi organici a emissione di luce (OLED), sono abbastanza compatti da accompagnarci ovunque andiamo, in dispositivi portatili come smartphone e smartwatch. Tuttavia, sono necessari ulteriori miglioramenti nelle prestazioni dei display basati su OLED, in particolare per quanto riguarda l'efficienza energetica e la purezza del colore, che hanno entrambi un impatto diretto sul consumo energetico. Di recente, un team di ricercatori dei due istituti dell'Accademia delle scienze polacca (PAS), dell'Istituto di chimica fisica PAS e dell'Istituto di chimica organica PAS e dell'Università di tecnologia della Slesia hanno proposto una serie di nuovi composti chimici per fungere da emettitori di OLED, portandoci un passo avanti verso tecnologie robuste e sostenibili nell'elettronica portatile.
I display visivi elettronici sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana, nella misura in cui sarebbe stato inimmaginabile anche solo pochi decenni fa. Fino all'inizio degli anni 2010, la maggior parte dei dispositivi portatili utilizzava display a cristalli liquidi (LCD), che sono fondamentalmente limitati dal fatto che non producono luce propria, ma filtrano la luce emessa da una retroilluminazione. Di conseguenza, gli LCD sono relativamente ingombranti e tendono a soffrire di uno scarso contrasto tra chiaro e scuro. D'altra parte, i display basati su OLED emettono luce da soli, senza bisogno di una retroilluminazione. Pertanto, possono essere resi più sottili e leggeri e ottenere un contrasto maggiore rispetto agli LCD.
Il componente emettitore di luce di un OLED è uno strato semiconduttore organico racchiuso tra due elettrodi, uno dei quali è trasparente in modo da far passare la luce. Il colore della luce emessa dipende dalla composizione dello strato semiconduttore:diversi composti emettitori danno origine a colori diversi. Attualmente, i composti emettitori comunemente usati includono composti eteroaromatici e idrocarburi policiclici aromatici (IPA), che danno origine a emissioni luminose, ma a scapito di una bassa purezza del colore. Inoltre, molti di questi composti soffrono di una scarsa stabilità chimica e termica, che complica notevolmente la lavorazione e contribuisce all'alto costo di produzione. Quindi, c'è ancora molto spazio per miglioramenti nella progettazione dei composti emettitori.
Di fronte a queste sfide, gli scienziati di tre importanti istituti di ricerca in Polonia hanno collaborato per proporre nuove molecole da applicare come emettitori di OLED. Il loro consorzio di ricerca è stato avviato dal dottor Marcin Lindner dell'Istituto di chimica organica, Accademia delle scienze polacca. Questo progetto è stato avviato quando ha progettato una serie di potenziali nuovi emettitori basati su frazioni aromatiche che donano e accettano elettroni collegate da un anello antiaromatico a sette membri. L'ispirazione per questo progetto è stata fornita dall'osservazione che molti emettitori esistenti presentano un collegamento diretto tra le frazioni donatore e accettore, ma tale disposizione porta con sé alcuni vantaggi. E se le frazioni donatore e accettore fossero invece collegate da un anello antiaromatico? Un altro aspetto innovativo del progetto del Dr. Lindner è la scelta del gruppo donatore di elettroni:una frazione PAH drogata con azoto (o drogata con N). Il drogaggio con azoto fa sì che lo scheletro molecolare adotti una geometria leggermente concava, simile a una ciotola, che aiuta a ridurre le interazioni di impilamento indesiderate nella fase condensata.
Il Dr. Lindner afferma che "il design di base dei nostri PAH drogati con N si è rivelato abbastanza flessibile e le loro proprietà sono molto reattive alla scelta del gruppo che accetta gli elettroni. Ad esempio, possiamo regolare il meccanismo di emissione tra attivati termicamente fluorescenza ritardata (TADF) e fosforescenza a temperatura ambiente (RTP). Questo ci dà un alto grado di controllo sul profilo di emissione."
Dopo che gli IPA drogati con N sono stati sintetizzati dal gruppo di ricerca del Dr. Lindner, le loro proprietà ottiche ed elettroniche sono state accuratamente caratterizzate dal prof. Przemysław Data, spettroscopista della Slesian University of Technology. In particolare, il prof. Il gruppo di ricerca di Data ha registrato gli spettri di emissione degli IPA drogati con N in vari insiemi di condizioni e ha misurato i livelli di energia degli orbitali molecolari.
Inoltre il prof. Il gruppo di Data ha fabbricato prototipi di OLED che incorporavano i nuovi composti e misuravano le loro efficienze quantistiche esterne (EQE). In modo gratificante, è stato riscontrato che l'IPA drogato con N con le migliori prestazioni ha raggiunto un EQE del 12%, superiore rispetto agli emettitori donatori-accettori esistenti di un tipo simile.
Il lavoro sperimentale è stato integrato con calcoli di chimica quantistica da parte del team guidato dal Dr. Adam Kubas, un chimico teorico dell'Istituto di Chimica Fisica dell'Accademia delle Scienze polacca. Il Dr. Kubas e il suo gruppo hanno eseguito simulazioni al computer all'avanguardia delle strutture e delle proprietà degli IPA drogati con N. Le loro simulazioni hanno fornito alcuni spunti che sarebbero stati inaccessibili da sperimentare da soli.
"In termini di struttura elettronica, gli IPA drogati con N sono piuttosto esotici. La presenza dell'anello a sette membri tra le frazioni donatore e accettore disaccoppia parzialmente, ma non completamente, i due. Di conseguenza, questi composti mostrano singoletto piccolo ma positivo -lacune energetiche triple, che facilitano l'emissione da parte del TADF", spiega Michał Kochman, ricercatore post-dottorato nel gruppo del Dr. Kubas.
I risultati completi di questo studio sono stati pubblicati su Angewandte Chemie . Tuttavia, la storia non finisce qui:il consorzio di ricerca continua i suoi sforzi per sviluppare emettitori migliorati per display OLED ad alta efficienza energetica. Il team crede che presto sentiremo parlare della seconda generazione di IPA drogati con N con caratteristiche ancora migliori. Il motivo principale di tali rapidi progressi raggiunti è il coinvolgimento di specialisti di diverse aree che apportano competenze e competenze diverse.
Il Dr. Kubas concorda:"La scienza di alta qualità ha bisogno di un atteggiamento interdisciplinare. Nel nostro progetto di ricerca, la stretta collaborazione tra chimici sperimentali e teorici ha creato alcuni nuovi promettenti materiali con eccellenti proprietà optoelettroniche. Soprattutto, potremmo dimostrare un paradigma completamente nuovo per il progetto di IPA fortemente drogati con N". + Esplora ulteriormente
