Новые органические молекулы научили излучать свет и проводить заряды с помощью фтора
Структура полученных фтор-содержащих фуран-фениленов и светотранзистор на основе молекулы частично фторированного производного.
© Koskin et al. / Advanced Functional Materials, 2021.
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. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
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 имени Н. Н. Ворожцова (Новосибирск), Института синтетических полимерных материалов имени Н. С. Ениколопова и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) занялись поиском оптимального материала.
В качестве основы для новой молекулы ученые взяли фуран-фениленовые со-олигомеры — органические соединения, содержащие цепочки ароматических колец из атомов углерода, кислорода и водорода. При этом 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), а 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 фтор-содержащие молекулы были значительно стабильнее к окислению, чем обычные фуран-фенилены, поскольку имели более энергетически выгодную электронную структуру. Среди остальных преимуществ фуран-фениленовых со-олигомеров 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.