Исследователи Университета Мичигана продемонстрировали, что синие фосфоресцирующие OLED теперь могут служить так же долго, как уже имеющиеся в устройствах зеленые фосфоресцирующие OLED, что открывает новые горизонты для дальнейшего повышения энергоэффективности экранов OLED.
"Это переводит блюз в область зеленых оттенков жизни", - сказал Стивен Форрест, заслуженный профессор электротехники Университета Питера А. Франкена и автор-корреспондент исследования в журнале Nature Photonics.
«Я не могу сказать, что проблема полностью решена — конечно, она не будет решена, пока не появится в вашем дисплее, — но, думаю, мы продемонстрировали путь к реальному решению, которое ускользало от научного сообщества на протяжении двух десятилетий».
Экраны OLED стали стандартом для флагманских смартфонов и высококачественных телевизоров, обеспечивая высокий контраст и энергоэффективность за счет того, что вариации яркости достигаются благодаря световым эмиттерам, а не слою жидкокристаллического материала сверху. Однако не все OLED-экраны одинаково эффективны с точки зрения потребления энергии.
В современных дисплеях красные и зеленые OLED-элементы производят свет по высокоэффективному фосфоресцирующему принципу, в то время как синие OLED по-прежнему используют флуоресценцию. Это означает, что в то время как красные и зеленые OLED имеют теоретически максимальное количество фотонов, равное количеству электронов, проходящих через устройство, синие OLED ограничены значительно более низкой эффективностью.
Проблема заключается в том, что синий свет является самым высокоэнергетическим компонентом, который должно производить RGB-устройство: молекулы синих фосфоресцирующих OLED (PHOLED) должны справляться с более высокими энергиями по сравнению с их красными и зелеными аналогами. Большая часть энергии уходит в виде синего света, но когда она оказывается в ловушке, это может привести к разрушению молекул, ответственных за цвет.
Ранее команда Форреста обнаружила, что существует способ быстрее выводить эту задержанную энергию, используя покрытие на отрицательном электроде, которое помогает преобразовать энергию в синий свет. Хаонан Чжао, недавний аспирант по физике, сказал, что это похоже на создание скоростной трассы.
"На дороге, где не хватает полос движения, нетерпеливые водители могут врезаться друг в друга, перекрывая все движение — точно так же, как два экситона, сталкиваясь друг с другом, выделяют много горячей энергии, которая разрушает молекулу", - сказал Чжао, первый автор этого исследования, а также нового. "Плазмонно-экситонный поляритон - это наша оптическая разработка для ускоренного использования экситонов".
Эти детали основаны на принципах квантовой механики. Когда электрон проходит через отрицательный электрод, он создает так называемое возбужденное состояние в одной из молекул, производящих синий свет. Это состояние представляет собой отрицательно заряженный электрон, который переходит на более высокий энергетический уровень, и положительно заряженную «дыру», которую оставляет за собой электрон — вместе они образуют экситон.
В идеале электрон должен был бы быстро вернуться в исходное состояние и испустить голубой фотон, но экситоны, которые используют фосфоресцирующий путь, как правило, задерживаются. Простое возвращение в исходное состояние нарушило бы закон квантовой механики. Однако экситоны, расположенные в непосредственной близости от электрода, производят фотоны быстрее, потому что блестящая поверхность поддерживает другие квантовые квазичастицы — поверхностные плазмоны. Они похожи на рябь в пруду электронов на поверхности металла.
Новый синий PHOLED из Мичигана обещает OLED-дисплеи с эффективностью и долговечностью, сравнимой с зелеными и красными экранами.
Если экситон в светоизлучающем материале находится достаточно близко к электроду, он получает небольшую помощь в преобразовании в синий свет, поскольку может преобразовывать свою энергию в поверхностный плазмон - явление, известное как эффект Перселла. Это происходит потому, что экситон немного колеблется, подобно радиовещательной антенне, которая создает волны в электронах электрода.
Однако это не помогает автоматически, поскольку не все поверхностные плазмоны производят фотоны. Чтобы получить фотон, экситон должен прикрепиться к поверхностному плазмону, образуя плазмонно-экситонный поляритон.
Команда Форреста поддержала этот подход, добавив тонкий слой полупроводника на основе углерода на блестящий электрод, который стимулирует экситон передавать свою энергию и резонировать правильным образом. Это также способствует более глубокому проникновению эффекта в светоизлучающий материал, так что экситоны, расположенные дальше от электрода, могут принести пользу.
Команда разработчиков сообщила об этом в прошлом году, и с тех пор они сочетали этот эффект с другими подходами, чтобы в итоге получить синюю фольгу, которая может служить так же долго и гореть так же ярко, как зеленая. Вот основные моменты дизайна:
Два светоизлучающих слоя (тандемный OLED): это сокращает нагрузку на светоизлучение каждого слоя наполовину, уменьшая вероятность слияния двух экситонов.
Добавление слоя, который помогает экситонам резонировать с поверхностными плазмонами рядом с обоими электродами, что позволяет обоим излучающим слоям получить доступ к «скоростной полосе».
Вся структура представляет собой оптическую полость, в которой синий свет резонирует между двумя зеркальными электродами. Это сдвигает цвет фотонов глубже в синий диапазон.
