Новые органические молекулы научили излучать свет и переключать ток

Российские ученые получили новые органические материалы, которые могут одновременно излучать свет и проводить заряды. Это необычное свойство позволит в перспективе использовать их для создания более совершенных и дешевых дисплеев. Все это благодаря наличию атомов фтора в определенных частях молекулы. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда.

В современной технике широко распространены OLED-дисплеи: их устанавливают в телевизорах, компьютерах, ноутбуках, в концертных и спортивных залах. Такие экраны обеспечивают высокую яркость и контрастность, но имеют один существенный недостаток: матрица, создающая изображение, состоит из множества светодиодов, включением и выключением каждого из которых управляет отдельный транзистор, передавая в излучатели электрический ток. Сотни и тысячи таких цепочек сильно усложняют технологию производства матриц, поэтому ученые разрабатывают специальные устройства — светотранзисторы,— которые совмещают в себе способность излучать свет и переключать ток.

Изготовить материалы, сочетающие оба необходимых свойства, проблематично, поскольку они отчасти взаимоисключающие: чтобы вещество хорошо проводило заряды, молекулы в нем должны располагаться очень близко друг к другу. При этом плотная «упаковка» зачастую препятствует люминесценции: соседние молекулы «тушат» друг друга. Поэтому исследователи из Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова (Новосибирск), Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (Москва) занялись поиском оптимального материала.

В качестве основы для новой молекулы ученые взяли фуран-фениленовые соолигомеры — органические соединения, содержащие цепочки ароматических колец из атомов углерода, кислорода и водорода. Три кольца в этих молекулах — шестичленные, как соты, а два — пятичленные. Более ранние исследования показали, что фуран-фенилены излучают яркий свет, поэтому могут использоваться в оптоэлектронике, также они имеют хорошую растворимость и молекулярную жесткость. Кроме того, некоторые «строительные блоки» для их синтеза потенциально можно получать из природного сырья. Однако эти соединения не способны проводить отрицательные заряды (электроны), поэтому их нельзя использовать в светотранзисторах. Чтобы решить эту проблему, химики синтезировали серию производных фуран-фениленов, выборочно заменив атомы водорода на атомы фтора. Он был выбран в качестве заместителя потому, что сильнее других химических элементов «оттягивает» электроны у соседних атомов, тем самым создавая лучшие условия для перераспределения зарядов в молекуле.

Синтезированные соединения отличались количеством атомов фтора (от четырех до четырнадцати) и их положением (заместители располагались на разных фениленовых кольцах). Оказалось, что фторсодержащие молекулы были значительно стабильнее к окислению, чем обычные фуран-фенилены, поскольку имели более энергетически выгодную электронную структуру. Среди остальных преимуществ фуран-фениленовых соолигомеров то, что яркая люминесценция, молекулярная жесткость и растворимость сохраняются при правильном расположении заместителей.

Ученые получили кристаллы и тонкие пленки из синтезированных молекул и исследовали их свойства. Некоторые образцы, где расположение атомов фтора и кристаллическая структура были наиболее благоприятные, хорошо проводили как положительные, так и отрицательные заряды благодаря тому, что молекулы создавали своего рода «туннели» для их движения. Такой транспорт зарядов обоих знаков позволил исследователям изготовить уникальные образцы светотранзисторов на основе тонких пленок: эффективность генерации света достигала 0,6%, что соответствует уровню лучших мировых разработок.

«Наше исследование позволило получить уникальные молекулы, сочетающие способности к эффективной фото- и электролюминесценции и транспорту заряда. Материалы на их основе позволят создать светотранзисторы для современных дисплеев и других светоизлучающих устройств, что удешевит их производство, повысит надежность и, возможно, позволит найти новые применения для устройств органической электроники»,— рассказывает Максим Казанцев, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат химических наук, заведующий лабораторией органической электроники НИОХ СО РАН.

Использованы материалы статьи Selectively Fluorinated Furan-Phenylene Co-Oligomers Pave the Way to Bright Ambipolar Light-Emitting Electronic Devices; Igor P. Koskin, Christina S. Becker, Alina A. Sonina, Vasiliy A. Trukhanov, Nikita A. Shumilov, Anatoly D. Kuimov, Yuliya S. Zhuravleva, Yuliya O. Kiseleva, Inna K. Shundrina, Peter S. Sherin, Dmitry Yu. Paraschuk, Maxim S. Kazantsev; журнал Advanced Functional Materials, август 2021 г.