Создано доступное и экологичное решение для плоских дисплеев и носимой техники

Исследовательская группа под руководством Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Berkeley Lab, разработала супрамолекулярные чернила — новую технологию для использования в OLED-дисплеях, то есть дисплеях на основе органических светодиодов, и других электронных устройствах.

Изготовленные из недорогих элементов, распространенных на Земле, вместо дорогостоящих дефицитных металлов, супрамолекулярные чернила могут обеспечить более доступные и экологически устойчивые плоские экраны и электронные устройства.

«Заменив драгоценные металлы на распространенные на Земле материалы, наша технология супрамолекулярных чернил может стать переломным моментом в индустрии OLED-дисплеев», — говорит главный исследователь Пейдонг Янг, старший научный сотрудник Отдела материаловедения Лаборатории Беркли и профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. „Что еще более интересно, так это то, что технология может распространиться и на органические печатные пленки для изготовления носимых устройств, а также люминесцентных произведений искусства и скульптур“, — добавил он.

Если у вас есть относительно новый смартфон или телевизор с плоской панелью, велика вероятность, что он оснащен OLED-экраном. OLED-дисплеи стремительно развиваются на рынке дисплеев, потому что они легче, тоньше, потребляют меньше энергии и имеют лучшее качество изображения, чем другие плоские панели. Это объясняется тем, что OLED содержат крошечные органические молекулы, которые излучают свет напрямую, устраняя необходимость в дополнительном слое подсветки, который присутствует в жидкокристаллических дисплеях (LCD). Однако в состав OLED могут входить редкие и дорогие металлы, такие как иридий.

Но с новым материалом, который команда Лаборатории Беркли недавно описала в новом исследовании, опубликованном в журнале Science, производители электронных дисплеев могут перейти на более дешевый процесс производства, который также требует гораздо меньше энергии, чем традиционные методы.

Новый материал состоит из порошков гафния (Hf) и циркония (Zr), которые можно смешивать в растворе при низких температурах — от комнатной до примерно 176 градусов по Фаренгейту (80 градусов по Цельсию) — для получения полупроводниковых «чернил».

Крошечные молекулярные структуры «строительных блоков» внутри чернил самособираются в растворе — этот процесс исследователи называют супрамолекулярной сборкой.

Наш подход можно сравнить со строительством из блоков LEGO, — говорит Ченг Чжу, соавтор статьи и кандидат наук в области материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли.

Эти супрамолекулярные структуры позволяют материалу достигать стабильного и высокочистого синтеза при низких температурах.

Чжу разработал материал, работая в качестве научного сотрудника Отдела материаловедения Лаборатории Беркли и аспиранта-исследователя в группе Пейдонга Янга в Лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли.

Эксперименты по спектроскопии в Калифорнийском университете в Беркли показали, что супрамолекулярные чернила являются высокоэффективными излучателями синего и зеленого света — два признака потенциального применения материала в качестве энергоэффективного OLED-эмиттера в электронных дисплеях и 3D-печати.

Последующие оптические эксперименты показали, что супрамолекулярные чернильные композиты, излучающие синий и зеленый свет, демонстрируют то, что ученые называют квантовой эффективностью, близкой к единице.

Это свидетельствует об их исключительной способности преобразовывать почти весь поглощенный свет в видимый в процессе эмиссии, — пояснил Чжу.

Чтобы продемонстрировать возможность перестройки цвета и люминесценции материала в качестве OLED-эмиттера, исследователи изготовили из композитных чернил прототип тонкопленочного дисплея. В результате они обнаружили, что материал подходит для программируемых электронных дисплеев.

Алфавитный фильм служит убедительным примером, иллюстрирующим применение эмиссионных тонких пленок, таких как супрамолекулярные чернила, для создания быстро переключающихся дисплеев, — говорит Чжу.

Дополнительные эксперименты в Калифорнийском университете в Беркли показали, что супрамолекулярные чернила также совместимы с технологиями 3D-печати, например, для создания декоративного OLED-освещения.

Чжу добавил, что производители также могут использовать супрамолекулярные чернила для изготовления носимых устройств или высокотехнологичной одежды, которая подсвечивается для обеспечения безопасности в условиях низкой освещенности, или носимых устройств, которые отображают информацию с помощью супрамолекулярных светоизлучающих структур.

Супрамолекулярные чернила — еще одна демонстрация лаборатории Пейдонга Янга новых устойчивых материалов, которые могут обеспечить экономичное и энергоэффективное производство полупроводников. В прошлом году Янг и его команда сообщили о новых «многоэлементных чернилах» — первом „высокоэнтропийном“ полупроводнике, который можно обрабатывать при низкой или комнатной температуре.

Благодаря продемонстрированной стабильности и сроку хранения супрамолекулярные чернила могут также помочь в коммерческом продвижении ионно-галоидных перовскитов — тонкопленочных солнечных материалов, на которые уже несколько десятилетий обращает внимание индустрия дисплеев.

Благодаря низкотемпературному синтезу в растворе ионно-галоидные перовскиты могут стать потенциально более дешевым производственным процессом для изготовления дисплеев. Однако высокоэффективные галогенидные перовскиты содержат элемент свинец, который представляет опасность для окружающей среды и здоровья населения. В отличие от них, новые супрамолекулярные чернила, принадлежащие к семейству ионных галогенидных перовскитов, предлагают бессвинцовую формулу без ущерба для производительности.

Теперь, когда они успешно продемонстрировали потенциал супрамолекулярных чернил в тонких пленках OLED и 3D-печатной электронике, исследователи изучают электролюминесцентный потенциал материала.

Это предполагает целенаправленное и специализированное исследование того, насколько хорошо наши материалы могут излучать свет с помощью электрического возбуждения, — заключает Чжу.

Этот шаг необходим для понимания всего потенциала нашего материала для создания эффективных светоизлучающих устройств.

22.01.2024