«Насытившиеся» фтором молекулы для OLED-светодиодов стали светиться в два раза ярче

Повысить эффективность свечения металлоорганических комплексов, используемых в OLED-светодиодах, можно, в частности, введя в молекулу большое количество атомов фтора. К такому выводу ученые пришли на основе экспериментов, которые показали, что соединения с тринадцатью атомами фтора в два раза эффективнее преобразуют подаваемую на них энергию в свет, чем те, что содержат только четыре атома фтора. Это наблюдение позволит создать более энергоэкономичные и эффективные светодиоды для бытовой техники и наноизлучателей. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (РНФ), опубликованы в журнале Dyes and Pigments.

OLED-светодиоды широко используются в технике. Так, например, дисплеи на их основе применяются в смартфонах, цифровых фотоаппаратах, автомобильных бортовых компьютерах и телевизорах. Излучение OLED обусловлено органическими соединениями или их комплексами с металлами, которые при действии электрического тока или внешнего света начинают самостоятельно светиться в определенном диапазоне — люминесцировать. В качестве светоизлучающих материалов для OLED-светодиодов перспективны соединения ионов металлов с β-дикетонами — кислородсодержащими органическими молекулами. Они удобны тем, что цвет и интенсивность их свечения можно менять на этапе синтеза. Однако такие комплексы имеют довольно низкую эффективность люминесценции: большая часть поступающей на них энергии (световой или электрической) рассеивается в виде тепла, а в излучение преобразуется лишь около нескольких процентов. Исследования показали, что исправить ситуацию помогает введение в состав комплексов атомов фтора.

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), Института спектроскопии РАН (Москва) с коллегами из Бразилии синтезировали и подробно изучили свойства шести ранее не известных полифторированных комплексов β-дикетонов с ионом европия — металла из группы лантаноидов. Соединения различались длиной фторированной углеродной цепи в органической молекуле, то есть количеством атомов фтора. В каждой из трех органических молекул-лигандов, окружающих центральный ион европия, их было три, четыре, семь или тринадцать.

Чтобы оценить влияние атомов фтора на люминесценцию комплексов, авторы освещали растворы соединений очень короткими импульсами лазерного излучения и измеряли эффективность излучения и динамику переходных процессов в молекулах комплексов. Оказалось, что увеличение числа атомов фтора в молекуле приводит к значительному росту эффективности свечения. Так, комплексы, содержащие тринадцать атомов этого элемента, преобразовывали падающий на них свет в собственное излучение в два раза эффективнее, чем молекулы с тремя атомами фтора. Таким образом, авторам удалось повысить квантовый выход люминесценции до 56%, что сопоставимо с лучшими представителями данного класса материалов. Синтезированные соединения имеют хороший потенциал для использования в качестве излучателей красного свечения для различных электролюминесцентных устройств.

Экспериментальные результаты также были подтверждены комплексом расчетных методов. Квантово-химические расчеты показали, что в комплексах с большим числом атомов фтора быстрее происходит перенос энергии между металлом и органической молекулой. Это приводит к тому, что энергия, подаваемая на соединение извне, преобразуется в свечение более эффективно.

«Мы экспериментально доказали, что увеличение числа атомов фтора позволяет в два раза повысить эффективность люминесценции рассматриваемых координационных соединений европия. Полученные соединения могут быть полезны при разработке высокоэффективных светоизлучающих устройств, значительная потребность в которых существует в современной быстро развивающейся технике. В дальнейшем мы планируем расширить область исследования фторсодержащих комплексных соединений на другие ионы лантаноидов, чтобы научиться направленно создавать эффективные люминесцентные материалы с заданными свойствами», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Тайдаков, доктор химических наук, руководитель лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» Отдела спектроскопии ФИАН.