Органические светодиоды, или OLED, — это особый тип светящихся устройств, где вместо привычных полупроводников используют органические соединения. В отличие от обычных LED, OLED тоньше, гибче, эффективнее и дают более сочную картинку. Чтобы улучшить технологию, ученые по всему миру изучают химические и физические процессы, лежащие в ее основе.

Недавно исследователи из Университета Кюсю (Япония) предложили новую модель, которая точнее описывает поведение экситонов — возбужденных электронов, заставляющих OLED светиться.

Работа опубликована в Nature Communications, и ее результаты могут продлить срок службы OLED-устройств, а также ускорить создание более совершенных материалов.

Когда атом получает энергию, его электроны «взбадриваются» и перескакивают на более высокий уровень. Возвращаясь обратно, они испускают свет — это и есть свечение. Но экситоны могут находиться в двух состояниях: синглетном (S₁) и триплетном (T₁). Светиться они способны только при переходе из синглетного состояния.

К счастью, экситоны могут переключаться между T₁ и S₁, — объясняет профессор Чихая Адачи, руководитель исследования. — Если заставить триплетные экситоны превращаться в синглетные, эффективность свечения резко возрастет. Один из ключевых прорывов в OLED — это материалы с термоактивированной замедленной флуоресценцией (TADF). В них разница между S₁ и T₁ минимальна, поэтому триплетные экситоны легче переходят в синглетные, и свет становится ярче.

Главная проблема в изучении TADF-материалов — точное измерение разницы между S₁ и T₁ (ΔEₛₜ). От этого параметра зависит, насколько эффективно материал будет светиться.

Но стандартные методы расчета часто дают неточные результаты из-за упрощений в квантовых моделях.

Теоретические расчеты поведения всех электронов слишком сложны, поэтому ученые используют допущения, — говорит Юичи Тсучия, ведущий автор работы. — Из-за этого реальные и расчетные данные расходятся. Мы разработали модель, которая учитывает переходы между энергетическими состояниями и дает более точные оценки ΔEₛₜ.

Этот метод открывает новые возможности не только для OLED, но и для других люминесцентных материалов. В будущем команда планирует применить искусственный интеллект для предсказания свойств новых соединений.

Этот прорыв важен по трем причинам:

• Долговечность OLED — точный расчет ΔEₛₜ поможет создавать материалы, которые меньше деградируют со временем.
• Экономия ресурсов — ученые смогут быстрее отсеивать бесперспективные соединения на этапе компьютерного моделирования.
• Новые применения — гибкие и тонкие OLED можно будет использовать не только в экранах, но и в носимой электронике, медицинских датчиках и даже «умной» одежде.

Хотя модель японских ученых точнее предсказывает ΔEₛₜ, она все еще опирается на ряд допущений. Например, не учитывает влияние молекулярной подвижности при высоких температурах, что может искажать результаты для некоторых TADF-материалов.

Ранее ученые разработали экологичное решение для плоских дисплеев.