По своим свойствам органические светодиоды аналогичны традиционным (кристаллическим), за исключением одной особенности: их можно сконструировать так, чтобы излучать определенный цвет, причем, с помощью механически-гибкой структуры. К сожалению, пока еще органические светодиоды не так эффективны, как того хотелось бы. Для улучшения характеристик этих устройств исследовательская группа из Японии разработала органическую молекулу с наименьшим расстоянием между двумя нижними возбужденным энергетическими уровнями.

Близкая к нулю ширина энергетической щели обеспечивает высокую эффективность эмиссии света, а также открывает для молекулы массу других возможных применений, в частности, в датчиках и органических лазерах.

Органические светоизлучающие диоды (органические светодиоды, OLED) позволяют создавать более дешевые, легкие и гибкие электронные компоненты, нежели традиционные кристаллические структуры. Однако подобные светодиоды пока еще неэффективны при преобразовании электрической энергии в фотоны.

В типичном OLED электроны и дырки проводимости распространяются в противоположных направлениях в результате зачастую скачкообразной перестройки от одной молекулы к другой. Когда электрон и дырка проводимости встречаются, они образуют возбужденное состояние или так называемый экситон, в котором спины частиц могут быть направлены в противоположные стороны (тогда суммарный спин экситона равен нулю, а состояние называется «синглетным») или в одну и ту же сторону (спин частицы равен 1, а состояние носит название «триплетного»).

Согласно законам статистики, триплетное состояние в три раза более вероятно, нежели синглетное. Однако только синглетное состояние может переходить в основное путем испускания фотона при так называемой флуоресценции. Переход между триплетным состоянием и основным, называемый фосфоресценцией, происходит гораздо медленнее. В большинстве случаев энергия, затраченная на формирование триплетных состояний, попросту уходит в тепло еще до того, как будет испущен хотя бы один фотон.

Ученые из различных научных групп предложили способы восстановления этой «потерянной» энергии из триплетного состояния, к примеру, путем добавления к органическим молекулам соединений металлов, которые помогают управлять процессом фосфоресценции. Правда, металлы, необходимые для решения этой задачи (например, иридий) дороги и редко встречаются в природе. Но, похоже, группа ученых из Kyushu University (Япония) предложила решение этой проблемы.

В течение последних нескольких лет группа работала над OLED-конструкциями, использующими в ходе работы процесс, называемый термоактивированной замедленной флуоресценцией (thermally activated delayed fluorescence, TADF). Эта форма излучения возможна, когда синглетное и триплетное возбужденные состояния настолько близки по своей энергии, что перепад температуры может обеспечить ученым управление переходами в синглетное состояние, где вероятна флуоресценция.

В рамках своей работы ученые предложили «конструкцию» нескольких органических молекул с наименьшей энергетической разницей между синглетным и триплетным состоянием. Отчасти эта разница зависит от пространственного расположения молекулярных орбиталей, через которые путешествуют электроны и дырки проводимости в процессе переноса заряда, так что добиться этого удалось с помощью учета факторов, влияющих на ширину зазора, при проектировании молекулы.

В последней статье команда сообщила об успешном синтезе сложных молекул с зазором между состояниями в 0,08 эВ. Когда эта молекула была использована для создания OLED, общая эффективность преобразования электрической энергии в световое излучение повысилась до 20% (достигнув уровня органических светодиодов, содержащих иридий).

По мнению ученых, 0,08 эВ – это не предел. На сегодняшний день они уже создали молекулу, для которой зазор составляет всего 0,02 эВ. Хотя созданный из нее OLED пока показывает эффективность на уровне всего 14%, результаты работы чрезвычайно важны с точки зрения молекулярного дизайна. Тем более, что молекула может быть полезна и в других областях, к примеру, при создании кислородных датчиков или органических полупроводниковых лазеров.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.