Материаловеды впервые получили органический светоизлучающий диод, который можно нанести на любую поверхность с помощью метода переводных татуировок. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Electronic Materials.

Сейчас ученые активно работают над созданием электронной кожи — системы гибких электронных сенсоров и микросхем, которые можно наносить на кожу человека, чтобы отслеживать физиологические показатели организма и облегчать взаимодействие с другими гаджетами. Для переноса устройств на кожу ученые используют разные процедуры, и одна из самых удобных — использование переводных татуировок.

Части микросхем наносят на подложку из обыкновенной клейкой бумаги для переводных татуировок, а готовое устройство пользователь может перенести на кожу или любую другую поверхность, просто смочив водой. Таким образом ученым уже удалось нанести на кожу сенсор для определения температуры и влажности кожи, а также датчик дыхания.

С переносом на кожу светоизлучающих диодов — устройств, которые излучают свет под действием электрического тока и могут быть полезны для вывода информации с сенсоров, — пока что получается не так хорошо. В 2015 году корейские инженеры перенесли на кожу светоизлучающий диод на основе квантовых точек, однако вместо метода переводных татуировок они использовали более сложный и трудоемкий метод глубокой печати. Кроме того, люминесцентный слой устройства состоял из частиц селенида кадмия CdSe в оболочке из сульфида цинка ZnS, которые могут быть токсичны при попадании на кожу.

Итальянские, британские и австрийские материаловеды под руководством Франко Качалли (Franco Cacialli) из Университетского Колледжа Лондона разработали первую светоизлучающущю татуировку на основе органического люминесцентного диода (Organic Light-Emitting Diode, OLED). Такой диод прост в нанесении и состоит из недорогих и безопасных для человека полимерных материалов.

Спроектированный авторами статьи OLED состоит всего из пяти слоев: самый первый слой — бумага для переводных татуировок, затем идет защитный слой из полиметилметакрилата (PMMA), прозрачный электрод из проводящего полимера (PEDOT:PSS), слой люминесцентного полимера F8BT и, наконец, алюминиевый электрод. Когда устройство переносят на кожу, последовательность слоев меняется, и отражающий алюминиевый слой становится нижним слоем. Свет в таком случае будет отражаться от алюминия и большая часть его будет направлена наружу сквозь прозрачный электрод PEDOT:PSS.

Слои F8BT и PMMA наносили методом накапывания растворов на вращающуюся подложку, слой PEDOT:PSS методом инжекционной печати, а алюминиевый электрод с помощью термического испарения. Все эти методы достаточно просты в эксплуатации и их можно масштабировать для получения диодов в промышленных количествах. В готовом устройстве активный светоизлучающий слой имеет толщину около 75 нанометров, а общая толщина устройства — всего 2,3 микрометра. Небольшая толщина делает OLED гибким и облегчает его нанесение на нужную поверхность. Авторы работы показали, что поверхность необязательно должна быть идеально гладкой: им удалось перенести OLED на стекло, кожуру апельсина, пластиковую бутылку и упаковочную бумагу. После использования устройство можно смыть водой с мылом.

Схема изготовления и фотографии готовых устройств / Barsotti et al./ Advanced Eletronic Materials, 2021

Полученный диод светится с яркостью 5 × 10⁻³ миливатт на квадратный сантиметр. Это на три порядка меньше, чем демонстрирует стандартный диод на основе F8BT на стеклянной подложке, однако уже достаточно, чтобы свечение можно было увидеть невооруженным глазом. В дальнейшем Качалли и его коллеги собираются оптимизировать нанесение алюминиевого и полиметилметакрилатного слоев, и за счет этого еще немного снизить общую толщину устройства, чтобы сделать его более гибким и комфортным в нанесении. Кроме того, они хотят разработать для своих устройств защитную оболочку, чтобы продлить срок их службы.

Запакованныей в защитную оболочку диод будет готов к эксплуатации — например, его можно будет использовать в датчике обезвоженности во время занятий спортом. А в дальнейшем подобные светоизлучающие диоды могут стать частями более сложных сенсоров и других схем в составе электронной кожи.