Химики МГУ улучшили LED-мониторы осаждением

Создание светодиодов, или LED -- light-emitting diode, по праву считается одним из наиболее значимых достижений химии материалов XX века. Сейчас светодиодные элементы можно встретить где угодно: это и подсветка экранов мобильных телефонов, и индикаторы работы различных бытовых приборов, массивы светодиодов используются для бытового и уличного освещения, в светофорах и экранах наружной рекламы. Однако все это -- неорганические светодиоды, созданные на основе различных полупроводниковых соединений. Такие устройства имеют множество достоинств, таких как высокая эффективность, яркость, возможность получить свет практически любой длины волны, при этом чистый, или монохроматичный, с узким пиком и без дополнительных шумов.

Но наряду с достоинствами неорганические LED имеют и ряд недостатков. Например, для начала их работы требуются достаточно высокие напряжения. А еще эти материалы слишком хрупкие. Поэтому с их применением невозможно изготовить гибкие дисплеи -- мечту современных маркетологов.

Органический свет

В те же 60-е годы мировому научному сообществу были представлены первые OLED -- органические светодиоды. Первые устройства, в качестве основного люминесцентного, или «светящего», материала в которых применялось органическое вещество, были малоэффективными и обладали совсем небольшим временем жизни. Но работа шла, OLED совершенствовались, в 1990-е годы обнаружилось, что некоторые полимеры прекрасно подходят на роль «сердца» OLED. На основе этих материалов и были созданы первые OLED-дисплеи -- с низким энергопотреблением и достаточно большим временем жизни.

Впрочем, люминесцентные полимеры все-таки недостаточно устойчивы, поэтому их применение требует сложной конструкции дисплея со специальными покрытиями, которые смогут защитить нежный полимер от воздействия факторов внешней среды. К тому же, спектр люминесценции полимеров представляет собой очень широкую полосу, что делает невозможным получение чистых цветов.

Однако работа над улучшением устройства полимерных OLED -- не единственное направление научной работы в этой области. Сейчас многие материаловедческие лаборатории во всем мире работают над получением альтернативных материалов для светящего слоя OLED совершенно иной природы -- это так называемые координационные соединения (КС) редкоземельных элементов (РЗЭ). Такие материалы еще называют молекулярными, потому что каждая молекула этого вещества, по сути, -- прибор. Она состоит из крупного иона редкоземельного металла, или лантанида, такого как европий или тербий, окруженного сложными и разветвленными анионами и нейтральными группами.

Молекулярная машина

Механизм люминесценции КС РЗЭ довольно сложен, и по-настоящему описать его можно лишь в терминах квантовой механики. Но суть его можно объяснить и в более простых терминах, как это сделал для Infox.ru магистрант факультета наук о материалах МГУ им. Ломоносова Дмитрий Плешков: «Свет поглощается органической частью молекулы. Затем вследствие внутримолекулярного переноса энергия попадает на центральный ион, с которого уже и происходит излучение света».

Использование редкоземельных элементов в силу их физической природы позволяет получать люминесцентные материалы с очень узким пиком люминесценции, то есть с очень монохроматичным светом. Но для того чтобы свечение было ярким, а материал -- химически устойчивым и пригодным для создания световых устройств, нужно подобрать иону соответствующее органическое окружение.

Замена одних органических анионов на другие, добавление или замещение нейтральных групп -- таких, которые занимают место в координационной сфере, то есть на поверхности крупного атома, но не образуют с ним электрической связи, -- все это дает возможность улучшать функциональные свойства люминесцентных материалов. В Лаборатории химии координационных соединений химического факультета МГУ им. Ломоносова, где выполняет свою магистерскую работу Дмитрий Плешков, исследования КС РЗЭ ведутся уже не первый год. По их результатами выпущено немало статей в ведущих научных журналах, а специалисты, вышедшие из стен лаборатории, продолжают исследования в ведущих лабораториях мира.

От вещества к материалу

Впрочем, получением и исследованием новых соединений в лаборатории не ограничиваются. Кроме чисто химических здесь бьются над решением и материаловедческих задач. Одна из них -- получение тонких пленок люминесцентных соединений. «Многие из материалов, которые ярко светят и могли бы быть перспективными для создания OLED-дисплеев, практически невозможно получить в виде тонких пленок теми методами, которые известны на настоящий момент. Мы предложили решение этой проблемы: метод реакционного осаждения», -- рассказала Валентина Уточникова, аспирантка и коллега Дмитрия по лаборатории.

Действительно, если вещество плохо растворимо и «нелетуче», то есть с трудом переводится в газовую фазу, то пленку из него получить довольно сложно. В Лаборатории химии координационных соединений создали реактор, который позволяет решить эту проблему для многих соединений. В реакторе раздельно нагреваются и испаряются при низком давлении два вещества -- реагенты, из которых можно получить желаемое соединение. В определенный момент они смешиваются и взаимодействуют. Полученное нелетучее соединение тут же осаждается на подложку, а побочные продукты улетают.

Ученые из МГУ научились получать таким способом пленки толщиной 100-200 нм из множества соединений, которые ранее в пленочном виде не получались. Реактор, позволяющий проводить реакционное осаждение, уже запатентован, а результаты, полученные с его помощью, опубликованы. Осталось только соорудить из этих пленок светодиоды и собрать мониторы нового поколения.