Этот новый способ управления электрическими свойствами путем небольшого изменения толщины устройства вместо материалов может привести к появлению новых видов органических электронных устройств с характеристиками переключения или световым излучением, которое реагирует на внешние факторы.В органических электронных устройствах, таких как OLED и органические солнечные элементы, в качестве электрически активных материалов используются тонкие пленки органических молекул, что делает возможными гибкие и недорогие устройства.Ключевым фактором, определяющим свойства органических устройств, является поведение пакетов электрической энергии, называемых экситонами. Экситон состоит из отрицательного электрона, притянутого к положительной дырке, которую можно рассматривать как пропавший электрон.
В OLED энергия в этих экситонах выделяется в виде света, когда электрон теряет энергию и заполняет вакансию дырки. Например, изменение энергии экситона приведет к изменению цвета излучения.Однако экситоны обычно локализованы на одной органической молекуле и прочно связаны с энергией связи около 0,5 эВ.
Таким образом, обычно необходимо проектировать и синтезировать совершенно новые молекулы, чтобы получить от этих экситонов типа Френкеля различные свойства, такие как красное, зеленое или синее излучение для дисплеев.Исследователи из Центра исследований органической фотоники и электроники (OPERA) университета Кюсю вместо этого сосредоточились на другом типе экситона, называемом эксиплексом, который образован дыркой и электроном, расположенными на двух разных молекулах, а не на одной и той же молекуле.Манипулируя молекулярным расстоянием между электронодонорной молекулой (донором) и электроноакцепторной молекулой (акцептором), несущими дырку и электрон эксиплекса соответственно, исследователи могли изменять свойства этих слабосвязанных экситонов.«Мы сделали то же самое, что поместили листы бумаги между магнитом и холодильником», — сказал доцент Хадзиме Наканотани, ведущий автор статьи, в которой сообщается об этих результатах, опубликованных 26 февраля 2016 года в журнале Science Advances.
«Увеличивая толщину чрезвычайно тонкого слоя органических молекул, вставленных в качестве разделителя между донором и акцептором, мы могли бы уменьшить притяжение между дыркой и электроном в эксиплексе и тем самым значительно повлиять на энергию, время жизни и цвет излучения эксиплекса, а также эффективность."Действительно, изменения могут быть значительными: при вставке разделительного слоя толщиной всего 5 нм между донорным слоем и акцепторным слоем в OLED цвет излучения сместился с оранжевого на желтовато-зеленый, а эффективность излучения света увеличилась на 700%.Чтобы это работало, органическая молекула, используемая для разделительного слоя, должна иметь энергию возбуждения выше, чем у донора и акцептора, но такие материалы уже широко доступны.В то время как расстояние между молекулами в настоящее время определяется толщиной разделительного слоя, осажденного в вакууме, исследователи ищут другие способы управления расстоянием.
«Это дает нам мощный способ значительно варьировать свойства устройства без изменения конструкции или изменения каких-либо материалов», — сказал профессор Чихая Адачи, директор OPERA. «В будущем мы представляем новые типы устройств на основе экситонов, которые реагируют на внешние силы, такие как давление, чтобы контролировать расстояние и электрические характеристики».Кроме того, исследователи обнаружили, что эксиплексы все еще образовывались, когда толщина спейсера составляла 10 нм, что является большим в молекулярном масштабе.«Это одно из первых доказательств того, что электроны и дырки все еще могут взаимодействовать подобным образом на таком большом расстоянии», — прокомментировал профессор Адачи, «поэтому эта структура также может быть полезным инструментом для изучения и понимания физики экситонов для разработки более совершенных OLED-дисплеев. и органические солнечные батареи в будущем ».«Как с научной, так и с прикладной точки зрения, мы рады видеть, куда приведет нас этот новый путь экситонной инженерии, и надеемся создать новую категорию электроники на основе экситонов».
Это исследование продолжается в рамках Проекта разработки молекулярных экситонов Адачи, финансируемого программой Исследовательских исследований передовых технологий (ERATO) Японского агентства по науке и технологиям (JST).