Этот материал продолжает цикл о лабораториях, исследованиях, разработках и проектах региональных вузов из списка «Приоритет 2030». Также можно почитать о проекте саратовских ученых по управлению функциями сна и разработках томских ученых в области современной имплантологии.
Взгляните на экран вашего смартфона. Скорее всего, вы смотрите на AMOLED-дисплей — продукт органической электроники (от английской аббревиатуры Active Matrix Organic Light-Emitting Diode). В нем каждый пиксель — это маленький светодиод, который состоит из многих слоев, и один из них — это органический полупроводник, который излучает яркий свет, когда через него пропускают ток. Разработкой и изучением таких полупроводников занимается лаборатория низкоуглеродных химических технологий факультета естественных наук Новосибирского государственного университета.
Как создаются светодиоды
Эмиттеры — это органические полупроводниковые молекулы, излучающие свет в различных частях цветового спектра. Чтобы синтезировать такую люминесцентную молекулу, новосибирские ученые параллельно проводят фундаментальные и практические исследования.
От компьютерной модели к светодиоду
Одна часть научной группы занимается компьютерным моделированием, чтобы выявить потенциально подходящие соединения. Другая — своими руками создает удивительные молекулы, используя «секретную магию» тонкого органического синтеза. Третья часть сотрудников с помощью современных приборов определяет их структурные, оптические и полупроводниковые свойства, а также проверяет, как их можно использовать на практике. Наконец, четвертая группа ученых на основе органических соединений делает устройства: например, транзисторы (OFET) и органические светодиоды (OLED) без тяжелых металлов в составе и с эффективностью свечения 100%. В итоге из сотен изначально смоделированных соединений только несколько становятся эмиттерами.
Светодиоды трех поколений
В новосибирской лаборатории изготавливаются светодиоды третьего поколения. Они обладают эффективностью свечения 100% (в отличие от первого поколения, где КПД свечения достигает едва ли 25%) и не содержат в своем составе тяжелые металлы (в отличие от второго поколения, для которого характерно использование иридия). Основные элементы в структуре полупроводников в таком диоде — это сера, азот, кислород, водород и углерод, то есть исключительно органические соединения, благодаря чему третье поколение обладает рядом преимуществ:
- Дешевизна. Иридий и другие пригодные тяжелые металлы добываются преимущественно за рубежом. В дополнение к этому мировые запасы этих металлов недостаточно велики для повсеместного, масштабного использования органических светодиодов. А серу, углерод, кислород, водород и азот можно получить буквально из природных источников, имеющихся в неограниченном количестве.
- Экологичность. Тяжелые металлы вредны для живых организмов. А вот часть синтетических блоков, используемых для сборки финальных органических молекул-эмиттеров, можно выделять из природного сырья.
- Ресурсоемкость. Для нанесения кремния на подложку диода используются методы физического и химического испарения-напыления. А для органических соединений — растворные методы. То есть после испарения растворителя из раствора с эмиттером получившийся слой сразу готов к использованию. Это технологически проще, быстрее и дешевле.
- Физическая гибкость. Кремниевая пластина при попытке ее согнуть легко ломается. А вот сенсор из органических молекул в виде тонкой пленки легко принимает форму подложки (например, пальца).
Как загораются светодиоды
Такое эффективное извлечение света в органических полупроводниках в ответ на внешнее воздействие (пропускание тока) новосибирские ученые объясняют явлением термически активируемой задержанной флуоресценции (TADF).
Борьба за электроны
Если представить, что электроны в атомах — это своеобразная валюта, то существуют «богатые» (электронодонорные) и «бедные» (электроноакцепторные) атомы. Ученые искусственно конструируют молекулу, в которой «богатые» и «бедные» части отделены и максимально изолированы друг от друга. Когда у молекулы такая структура, под воздействием электричества или света, вспыхивает «пламя революции» — между «богатыми» и «бедными» атомами возникает борьба за электроны. Она приводит к возникновению экситона — состояния возбуждения, когда электрон оказывается в «дырке» акцептора. Сопровождают эту борьбу вспышки света (результат распада синглетных экситонов) и тепла (результат распада триплетных экситонов). Чтобы добиться максимального эффекта свечения, нужно превратить триплетные экситоны, которые составляют 75% от всех возникающих экситонов, в синглетные, пока другие молекулы не использовали их для других целей (колебаний или нагрева).
Константин Иванов, аспирант 2 года обучения, факультет естественных наук НГУ:
«Разница энергий между синглетным и триплетным состояниями — это как количество ступенек на лестничном пролете между этажами (сколько энергии тебе нужно затратить, чтобы перейти из одного состояния в другое). Если разница большая, то ступенек много, и энергии для перехода недостаточно. Если разница маленькая, для перехода требуется очень мало энергии, которую можно получить буквально из окружающей среды — от колебаний молекул, которые определяются температурой среды. Соответственно, чтобы получить флуоресценцию с эффективностью 100%, мы «поднимаем» триплетные уровни ближе к синглетным (сокращаем количество ступенек), чтобы триплеты легко (с меньшими энергозатратами) «перескочили» в синглеты и стали излучать свет. За счет того, что синглетное состояние существует всего лишь наносекунду, а триплеты живут в 10 тыс. раз дольше, этот перескок происходит долго, но эффективно».
Синий, красный, зеленый
В зависимости от того, какие химические группы выбраны в качестве доноров и акцепторов в эмиттере, меняется спектральный цвет излучения. Самые важные (и порой трудно воспроизводимые) — светодиоды красного и синего участков спектра. Новосибирским ученым удалось приблизить цветовой спектр излучения одного из соединений к истинному синему.
Константин Иванов:
«Синие материалы могут разрушать сами себя, потому что энергия синего света велика — буквально самая большая из видимого диапазона, — и та часть, что поглощается материалом, тратится на нарушение структуры молекул. Так материал и деградирует. Красные светодиоды трудно воспроизводимы, поскольку они получаются очень чувствительными к внешним условиям (вода, кислород, высокая температура) в силу особенностей дизайна молекул».
Явление фосфоресценции
Интересно, что некоторые материалы, созданные в лаборатории, имеют свойство послесвечения (фосфоресценции) при комнатной температуре: при исчезновении внешнего возбуждающего излучения, например ультрафиолета, материал еще какое-то время испускает свечение. Самый простой пример, где это может быть использовано — система световых оповещателей в офисе (хорошо знакомые таблички «Выход» над дверями). Более интересный способ применения таких материалов — это биовизуализация клеток (например, опухолевых).
Флуоресценция на практике
Рынок органической электроники просто огромный — на 2020 год он составил более $40 млрд, — и он отлично диктует исследовательскую повестку на ближайшие десятилетия. Это и разные «умные материалы», высокочувствительные сенсоры, органическая фотовольтаика. При этом применение органических полупроводников и диодов не ограничивается электронными девайсами: ученые лаборатории уже сейчас активно работают с реальной химической индустрией, помогая сделать процессы химического синтеза более оптимальными, с меньшими отходами и более углерод-нейтральными.
Электроника и альтернативная энергетика
Поскольку RGB-палитра (от английской аббревиатуры Red-Green-Blue) применяется в дисплеях электронных устройств — смартфонов, умных часов, телевизоров, автомагнитол, — производство органических светодиодов (OLED) этих трех цветов является одним из перспективных направлений работы лаборатории низкоуглеродных химических технологий. У ученых имеется коммерческий партнер — латвийская компания EmiBlue, — который использует эмиттеры, созданные в лаборатории, для дальнейшего производства светодиодов и OLED-дисплеев.
Евгений Мостович, кандидат химических наук, заведующий лабораторией низкоуглеродных химических технологий НГУ:
«Один из основных проектов лаборатории — разработка эмиттеров для OLED. Полноценный OLED мы собираем вместе с партнером из Евросоюза, поскольку такие устройства непростые, похожие на сендвич, где каждый слой отвечает за определенную функцию. Мы разрабатываем те материалы, которые работают в слое, излучающем свет. В будущем надеемся производить полноценные органические полупроводники и реализовывать эмиттеры со спектром свечения, близким ко всем основным истинным цветам: синему, зеленому и красному. Кроме того, в планы развития входит и создание материалов для тонких солнечных батарей, которые можно будет, например, приклеить на стену с помощью двустороннего скотча и вырабатывать энергию».
Неинвазивная медицина
Органические люминесцентные соединения важны для медицины. Например, биоимиджинга — визуализации опухолевых клеток и наблюдения за ними в динамике.
Евгений Мостович:
«Представьте сенсор, имплантированный в кровеносный сосуд, который автоматически измеряет уровень, например, глюкозы и передает данные на смартфон. Или вообразите импланты на основе органических полупроводников, которые помогают людям, утратившим какие-либо моторные функции. Такие разработки вполне реальны, и уже есть компании, которые выходят на рынок с подобными предложениями».
Биоэлектроника и идеальные протезы
Новосибирские исследователи стремятся к решению задач биоэлектроники по разработке имплантатов на основе органических полупроводников, наиболее близких к биологическим тканям. Это означает, что необходимо разработать устройство, которое сможет переводить информацию, передаваемую машиной на языке электронов, на язык ионов и молекул, характерный для нашего организма. Чем четче будет осуществляться перевод сигналов, тем лучше будет связь между цифровой нейронной сетью и человеком. А это в далекой перспективе может открыть двери к трансгуманизму — ситуации, когда мы научимся улучшать человеческий организм с помощью устройств.