Органические светодиоды (OLED) изменили мир дисплеев и освещения: сочные цвета, глубокая контрастность и экономичность. Но теперь всем нужны еще более тонкие, легкие и энергоэффективные устройства — особенно для носимой электроники, складных гаджетов и портативных экранов.

Ученые придумали, как заставить OLED работать при сверхнизком напряжении без потери яркости.

Решение — эксиплексные OLED с апконверсией (ExUC-OLED). Они используют хитрый трюк: вместо прямого создания экситонов (связанных пар электронов и дырок) сначала формируют промежуточное состояние — эксиплекс. Это слабо связанная пара на стыке двух материалов, которая затем передает энергию излучателю. Так можно получить, например, синий свет при напряжении всего 1.47 В — в три раза меньше, чем в обычных OLED.

Результаты опубликолваны в издании ACS Applied Optical Materials.

Проблема в том, что для ExUC-OLED нужно идеально подбирать материалы-доноры и акцепторы, иначе энергия будет теряться. Группа ученых из Университета Тоямы (Япония) нашла элегантный способ обойти это ограничение. Они добавили между донором и акцептором тончайшую прослойку-»спейсер» толщиной в несколько нанометров.

Это простое изменение позволило использовать ранее несовместимые комбинации материалов и увеличить яркость синего свечения в 77 раз.

Рынок OLED огромен, но технологии сверхнизкого напряжения — это новый уровень. Теперь мы можем выбирать из гораздо большего числа материалов, — объясняет руководитель исследования Масахиро Моримото.

Спейсер увеличивает расстояние между молекулами донора и акцептора, ослабляет их связь и поднимает энергию эксиплекса. В результате энергия эффективнее передается излучателю. В экспериментах без спейсера эффективность устройства была мизерной — 0.00083%, но с 3-нанометровой прослойкой из BCP (батокупроина) она выросла до 0.064%.

Интересно, что свойства спейсера тоже влияют на результат. Например, полярный материал BCP дал КПД 6.4×10⁻²%, а неполярный UGH-2 — почти в 10 раз меньше.

Это исследование открывает дорогу к массовому производству ExUC-OLED. Технология обещает дисплеи и освещение, которые работают от крошечных батарей и тратят минимум энергии.

Сверхнизкое напряжение — это не только экономия. Это новые возможности для носимой электроники и гибких экранов, — заключает Моримото.

Главный плюс этой работы — практичность. Если технологию удастся масштабировать, мы получим:

• Сверхэкономичные дисплеи для умных часов и фитнес-браслетов, где каждый милливатт на счету.
• Гибкие и складные экраны, которые не перегреваются и работают дольше.
• Носимые медицинские датчики с автономностью в недели, а не дни.
• Световые панели, питающиеся от слабых источников вроде пьезоэлементов или мини-солнечных батарей.

Исследование не учитывает долговечность таких OLED. Эксиплексы — нестабильные состояния, и пока неясно, как быстро деградируют устройства с спейсерами при длительной работе. Кроме того, 77-кратный рост эффективности звучит впечатляюще, но абсолютные значения (0.064%) все еще слишком малы для коммерции.

Ранее ученые улучшили понимание экситонной динамики.