Сотрудники химического факультета МГУ совместно с российскими и зарубежными коллегами синтезировали и изучили свойства новых металл-органических соединений – гетероароматических карбоксилатов лантанидов (европия, гадолиния и тербия), перспективных в качестве эмиссионных материалов для светодиодов. Комплексы тербия люминесцируют зеленым цветом, комплексы европия – красным, а гадолиния – синим. Работа ученых опубликована в издании Journal of Luminescence.

Органический светодиод (англ. organic light-emitting diode, сокр. OLED) — полупроводниковый прибор, содержащий органические или металлорганические соединения-люминофоры, эффективно излучающие свет при протекании через них электрического тока. В последние годы произошел прорыв в области этого типа светодиодов: устройства на основе OLED-дисплеев уже стали обыденностью, и в магазинах появились даже OLED-телевизоры, причем довольно большие и сравнительно доступные. Основное же ограничение их повсеместного распространения – высокая стоимость, связанная и со стоимостью материалов, и со стоимостью производства, поскольку нанесение пленок люминофора в промышленности до сих пор проводят из вакуума. Переход к дешевым растворным технологиям и поиск новых люминофоров – направление, в котором удалось продвинуться ученым МГУ вместе с коллегами из Российской академии наук и Германии.

Само по себе люминесцирующее (способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение) вещество не всегда подходит в качестве материала для практического применения. Для получения на его основе материала необходимо не только наличие целевого свойства – люминесценции в данном случае, – но и выполнение целого набора дополнительных требований в зависимости от применения. В случае OLED это, в первую очередь, наличие подвижности носителей заряда. Подвижность нужна для образования возбужденного состояния: в ходе работы OLED через устройство протекает электрический ток, то есть со стороны катода текут электроны, а от анода – дырки (таким термином ученые называют отсутствие электрона, аналог воздушного пузыря в бутылке с водой). Чтобы образовалось возбужденное состояние, электрон и дырка должны встретиться. Для этого или электрон, или дырка, или оба должны пройти сквозь слой люминофора.

В качестве материалов для OLED используют соединения иридия, но в перспективе производители хотят перейти на более дешевые комплексы лантанидов. В случае соединений иридия десятилетия работ по всему миру привели к тому, что достигнуты колоссальные значения яркости, более 100 000 Кд/м2, в тысячу раз мощнее современной лампы накаливания. Для комплексов лантанидов высоких значений яркости люминесцентного излучения пока не получено, однако высокой чистоты цвета можно достичь именно для них.

Материалы для OLED должны помимо подвижности носителей заряда обладать растворимостью и летучестью, чтобы наносить пленки из газовой фазы или раствора. Для удешевления технологии производства OLED и повышения разрешения будет осуществляться переход к растворным технологиям: по словам ученых, в корпорациях сейчас очень активно над этим работают.

«Обычно ароматические карбоксилаты лантанидов – очень стабильные ярко люминесцирующие соединения, – ни подвижностью, ни растворимостью, ни тем более летучестью не обладают. Мы ввели в структуру органической части соединения атомы азота, что позволило решить решить обе проблемы: с одной стороны, соединение стало способно к электронному транспорту, а с другой – участие атома азота предотвращает полимеризацию, тем самым увеличивая растворимость», – комментирует результаты аспирант факультета наук о материалах МГУ Егор Латипов.

С помощью рентгеноструктурного анализа химики убедились, что координация атома азота в веществе действительно происходит. Метод люминесцентной спектроскопии подтвердил, что квантовый выход полученных соединений – показатель эффективности люминесценции, – достигает 100%.

Но квантовый выход характеризует эффективность излучения света (образования фотона) после того, как образовалось возбужденное состояние. В случае электролюминесценции для этого нужно еще хорошо сбалансировать всю структуру диода – в частности, для этого нужна подвижность носителей заряда. В случае фотолюминесценции возбуждение происходит за счет поглощения, так что нужно еще повышать поглощение. «Все это на самом деле показывает сложность перехода от соединения, люминесцирующего со 100%-ным квантовым выходом, к материалу», – замечает автор работы.

Работа выполнена совместно с сотрудниками Физического института им. П. Н. Лебедева и Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН под руководством кандидата химических наук, старшего научного сотрудника Валентины Уточниковой совместно с коллегами из Института Общества Фраунгофера (Дрезден, ФРГ)

Иллюстрация: Свечение соединений тербия (зелёный свет). Источник: Институт Общества Фраунгофера (Дрезден, ФРГ).