Нові органічні молекули навчили випромінювати світло і проводити заряди за допомогою фтору

8

Російські вчені отримали нові органічні матеріали, які можуть одночасно випромінювати світло і проводити заряди. Це незвичайне властивість дозволить в перспективі використовувати їх для створення більш досконалих і дешевих дисплеїв. Все це завдяки наявності атомів фтору в певних частинах молекули. Результати дослідження, підтриманого грантами російського наукового фонду (рнф), опубліковані в журналі advanced functional materials.

У сучасній техніці широко поширені oled-дисплеї: їх встановлюють в телевізорах, комп’ютерах, ноутбуках, в концертних і спортивних залах. Такі екрани забезпечують високу яскравість і контрастність, але мають один істотний недолік: матриця, що створює зображення, складається з безлічі світлодіодів, включенням і виключенням кожного з яких управляє окремий транзистор, передаючи в випромінювачі електричний струм. Сотні і тисячі таких ланцюжків сильно ускладнюють технологію виробництва матриць, тому вчені розробляють спеціальні пристрої — світлотранзистори — які поєднують в собі здатність випромінювати світло і перемикати струм.

Виготовити матеріали, що поєднують обидва необхідні властивості, проблематично, оскільки вони частково взаємовиключні: щоб речовина добре проводило заряди, молекули в ньому повинні розташовуватися дуже близько один до одного. При цьому щільна “упаковка «часто перешкоджає люмінесценції: сусідні молекули» гасять” один одного. Тому дослідники з новосибірського інституту органічної хімії імені м. М. Ворожцова (новосибірськ), інституту синтетичних полімерних матеріалів імені м.с. Еніколопова і московського державного університету імені м. В. Ломоносова (москва) зайнялися пошуком оптимального матеріалу.

В якості основи для нової молекули вчені взяли фуран-феніленові со-олігомери — органічні сполуки, що містять ланцюжки ароматичних кілець з атомів вуглецю, кисню і водню. При цьому три кільця в цих молекулах-шестичленні, як стільники, а два — п’ятичленні. Більш ранні дослідженняпоказали, що фуран-фенілени випромінюють яскраве світло, тому можуть використовуватися в оптоелектроніці, також вони мають хорошу розчинність і молекулярну жорсткість. Крім того, деякі «будівельні блоки» для їх синтезу потенційно можна отримувати з природної сировини. Однак ці сполуки не здатні проводити негативні заряди (електрони), а тому їх не можна використовувати в світлотранзисторах. Щоб вирішити цю проблему, хіміки синтезували серію похідних фуран-феніленів, вибірково замінивши атоми водню на атоми фтору. Він був обраний в якості заступника тому, що сильніше інших хімічних елементів «відтягує» електрони у сусідніх атомів, тим самим створюючи кращі умови для перерозподілу зарядів в молекулі.

Синтезовані сполуки відрізнялися кількістю атомів фтору (від чотирьох до чотирнадцяти) і їх положенням (заступники розташовувалися на різних феніленових кільцях). Виявилося, що фтор-містять молекули були значно стабільнішими до окислення, ніж звичайні фуран-фенілени, оскільки мали більш енергетично вигідну електронну структуру. Серед інших переваг фуран-феніленових со-олігомерів те, що яскрава люмінесценція, молекулярна жорсткість і розчинність зберігаються при правильному розташуванні заступників.

Вчені отримали кристали і тонкі плівки з синтезованих молекул і досліджували їх властивості. Деякі зразки, де розташування атомів фтору і кристалічна структура були найбільш сприятливі, добре проводили як позитивні, так і негативні заряди завдяки тому, що молекули створювали свого роду «тунелі» для їх руху. Такий транспорт зарядів обох знаків дозволив дослідникам виготовити унікальні зразки світлотранзисторів на основі тонких плівок: ефективність генерації світла досягала 0,6%, що відповідає рівню кращих світових розробок.

” наше дослідження дозволило отримати унікальні молекули, що поєднують здатності до ефективної фото – і електролюмінесценції і транспорту заряду. Матеріали на їх основі дозволять створити світлотранзистори для сучасних дисплеїв та інших світловипромінюючих пристроїв, що здешевить їх виробництво, підвищить надійність і, можливо, дозволить знайти нові застосування для пристроїв органічної електроніки», — розповідає максим казанцев, керівник проекту по гранту рнф, кандидат хімічних наук, завідувач лабораторії органічної електроніки ніох со ран.

Малюнок 1. Структура отриманих фтор-містять фуран-феніленів і світлотранзистор на основі молекули частково фторованого похідного.джерело: koskin et al. / advanced functional materials, 2021.

14.09.2021