Молекулярный комплекс-карусель сделает OLED-экраны в два раза ярче

От других современных типов дисплеев – плазменных и жидкокристаллических – экраны на органических светодиодах отличаются более высокой яркостью, контрастностью и более низким энергопотреблением. Однако OLED-дисплеи дороже, кроме того, сырье для их производства – проводящие полимеры – токсично, что создает сложности в производстве и утилизации.

Чтобы удешевить OLED-дисплеи и избавиться от токсичного сырья, можно использовать вместо полимеров люминесцентные комплексные соединения – молекулы, где небольшие органические фрагменты окружают центральный ион металла. Но до сих пор подобрать комплексы, которые показывали бы явное преимущество в яркости и экономичности перед полимерами, не удавалось. Достаточно эффективные соединения на основе иридия или платины были очень дорогими, а более дешевые комплексы с ионами переходных металлов — недостаточно эффективными.

Химик РУДН Александр Смольяков, сотрудник Научного центра «Кластер направленного синтеза природных соединений», обнаружил соединения, которое позволит сделать OLED-дисплеи значительно ярче и экономичнее полимерных. Центрами этих комплексов были не платина или иридий, а более дешевые медь и серебро, которые к тому же оказались более эффективными и менее токсичными по сравнению с полимерами.

Исследователь синтезировал молекулу, в центре которой находится не один, а сразу три иона одновалентных меди или серебра. Чтобы эта структура из трех ионов металла не распадалась, химик стабилизировал ее с помощью производных пиразола — ароматических молекул с двумя атомами азота в цикле, — а в качестве лигандов (то есть окружающих ион молекул-доноров электронов) использовал фосфорорганические молекулы. При этом ионы одновалентной меди и серебра формируют трехцентровое ядро в форме треугольника, а лиганды присоединяются к ядру через атомы фосфора и остаются при этом довольно подвижными.

При комнатной температуре энергии тепловых колебаний оказывается достаточно для разрушения связи между фосфором и металлом на короткое время. Однако количество атомов фосфора в молекуле два, а атомов металла – три, поэтому один из атомов металла всегда остается без пары и в случае появления свободного фосфора сразу же притягивает его к себе. То есть лиганд «перепрыгивает» к соседнему иону в трехцентровом ядре и образует связь, которая вскоре снова может разрушиться из-за тепловых колебаний. Молекула таким образом превращается в своеобразную молекулярную «карусель». Такая конфигурация делает устойчивыми как комплексы с ядрами из ионов серебра, так и с ядрами из одновалентной меди – соединения не распадаются сразу после синтеза, как многие другие структуры подобного типа.

Химики обнаружили, что подобная «карусельная» структура комплексных соединений приводит к возникновению двух энергетических состояний, переход между которыми может приводить к люминесценции. В случае меди эта структура обладает значительным квантовым выходом – то есть отношением количества поглощенных и испущенных фотонов – в 41 процент. Органические полимеры, которые сегодня используются в OLED-дисплеях, обеспечивают квантовый выход в два раза ниже: около 20 процентов.

Трехцентровые медные комплексы-«карусели» ученые называют перспективными для будущего OLED-технологии.

Статья в Inorganic Chemistry