Химики из России выяснили, как удешевить органические светодиоды

МОСКВА, 28 фев – РИА Новости. Ученые из Физического института РАН и МФТИ создали вещества, которые позволят заменить дорогие благородные металлы в органических светодиодах на относительно дешевые редкоземельные элементы. Это уменьшит их стоимость в несколько раз, говорится в статье, опубликованной в Beilstein Journal of Organic Chemistry.

«

"Такие соединения до нас практически не изучались. Мы предложили метод синтеза, который позволяет синтезировать их, и получили ряд новых производных. Интересно, что по мере увеличения длины фторированной боковой цепи органической молекулы улучшаются ее люминесцентные свойства, но не до бесконечности. Иными словами, есть оптимум, который мы можем найти", — рассказывает Илья Тайдаков, химик из МФТИ.

Первые полноценные светодиоды появились в относительно далеком прошлом по меркам полупроводниковой индустрии, более 50 лет назад. Все они работают благодаря особым взаимодействиям между электронами и положительно заряженными "дырками", которые заставляют элементарные частицы выделять часть своей энергии в виде света.

За это время ученые открыли десятки материалов, способных служить основой для светодиодов, в том числе и органические молекулы, что позволило им проникнуть фактически во все сферы жизни человека. Несмотря на огромный успех, у всех них есть один общий недостаток – органические светодиоды или достаточно тусклы и недолговечны, или же очень дороги для изготовления.

Это связано с тем, что самые яркие и надежные излучатели такого рода содержат в себе не только полимерные соединения, но и атомы разных благородных металлов, в том числе платины и иридия, помогающие органике преобразовать электричество в поток частиц света.

Тайдаков и его коллеги сделали большой шаг к решению этой проблемы, открыв относительно дешевый способ синтеза длинных органических молекул, способных светиться при соединении с атомами менее дорогих редкоземельных металлов, так называемых лантаноидов.

Как объясняют ученые, Лантан и другие элементы из его подгруппы, могут сами по себе поглощать и испускать частицы света, однако они делают это достаточно неэффективным образом. Химики достаточно давно знают, что эффективность их работы можно повысить, если посадить одиночный ион редкоземельного металла внутрь "клетки", собранной из нескольких органических молекул из класса так называемых бета-дикетонов.

Подобные молекулы поглощают невидимые глазу фотоны, "сбежавшие" от атома металла и возвращают их энергию назад, что резко повышает КПД работы светодиода и его яркость. Несмотря на то, что эти вещества сегодня широко используются при добыче редкоземельных металлов и очистке ядерного топлива, дешевые версии подобных молекул, способные играть такую роль, не существовали до опытов российских исследователей.

Они решили эту проблему, наблюдая за тем, как удлинение "хвостов" одного из подобных веществ, 2-теноилтрифторацетона, и повышение числа атомов фтора в нем влияло на его фотофизические качества.

Как обнаружили ученые, часть дорогих и нестабильных компонентов, используемых для проведения реакций, необходимых для "сборки" подобных молекул, можно заменить на более дешевые и долговечные реагенты, такие как гидрид натрия и органический растворитель тетрагидрофуран.

Помимо упрощения самого процесса синтеза, эти же вещества фактически ликвидируют одну из самых дорогих фаз производства любых сложных органических молекул – их очистку от примесей и "неправильных" продуктов реакции.

Создав несколько разновидностей подобных молекул при их помощи, Тайдакову и его коллегам удалось повысить степень поглощения света всей этой светодиодной конструкцией примерно в 3-4 тысячи раз. Сейчас российские химики детально изучают свойства этих материалов в надежде найти оптимальную молекулу для производства дешевых светодиодов разных цветов.