Глубокий синий OLED
Исследователи из Института науки Токио разработали синий OLED, работающий от напряжения всего 1,5 В. Это позволило преодолеть проблемы высокого напряжения и чистоты цвета, которые долгое время ограничивали применение синих OLED.
Прорыв был достигнут за счёт введения новой молекулярной добавки, которая предотвращает захват заряда — проблему, которая ранее препятствовала работе OLED с низким напряжением. Полученное устройство производит резкое синее излучение, соответствующее стандартам BT.2020, что открывает путь к более ярким и энергоэффективным дисплеям.
OLED: широкое применение и вызовы
Органические светодиоды (OLED) широко используются в телевизорах с большими экранами и дисплеях смартфонов. Однако среди трёх основных цветов, необходимых для полноцветной технологии (красный, зелёный и синий), синие излучатели остаются наиболее сложными. Они требуют более высокой энергии, часто нуждаясь в напряжении выше 3 В, и страдают от ограниченной долгосрочной стабильности.
Команда исследователей
Исследовательская группа под руководством доцента Сэйитиро Идзавы из Лаборатории материалов и конструкций Института науки Токио (Science Tokyo), Япония, достигла прорыва в области OLED. В команду также входили профессор Ютака Мадзима, докторанты Цин-цзюнь Шуй и Хирото Ивасаки и магистрант Дайки Накахигаси из Института передовых исследований в области материалов, Science Tokyo.
Принцип работы устройства
Устройство основано на OLED с преобразованием вверх (UC-OLED), которые генерируют свет через процесс, называемый триплет-триплетной аннигиляцией (ТТА). В обычных OLED свет производится, когда электроны и дырки встречаются в слое излучения, образуя состояние переноса заряда, которое возбуждает флуоресцентную добавку.
UC-OLED снижают рабочее напряжение, сдвигая этот процесс: электроны и дырки образуют состояние переноса заряда на границе между слоем транспорта дырок и слоем транспорта электронов. Эта энергия затем передаётся триплетным экситонам в материале-хозяине, и когда два триплета аннигилируют, они создают синглетное состояние с более высокой энергией. Этот синглет затем возбуждает молекулу-допант, которая излучает свет.
Преодоление проблем с чистотой цвета
Ранее версии UC-OLED сталкивались с проблемами чистоты цвета. Они часто производили небесно-синий свет с широким спектром. Проблема заключалась в выборе допанта и его склонности захватывать дырки. В UC-OLED нет свободных электронов для нейтрализации захваченных зарядов. В результате накопленные дырки снижают подвижность других дырок и препятствуют эффективной рекомбинации.
Для преодоления этой проблемы команда протестировала ряд синих излучающих допантов. Они начали с семейства материалов DABNA, известных своей узкой эмиссией. Однако на практике эти допанты замедляли движение заряда и повышали рабочее напряжение на 1–2 В. Это происходило потому, что DABNA имеет более высокий уровень высшей занятой молекулярной орбитали (HOMO) (уровень энергии для дырок), чем материал-хозяин, что приводило к тому, что молекулы действовали как ловушки, блокирующие транспорт дырок. Однако исследователи заметили, что когда ловушки были достаточно мелкими, захваченные дырки могли выходить через тепловую энергию.
На основе этого открытия исследователи ввели новый класс допантов: семейство QAO. QAO, сокращение от хинолиноакридин-дионов, относится к группе молекул с множественным резонансом, термоактивируемой замедленной флуоресценцией. Важно, что их уровни HOMO ниже, чем у материалов-хозяев, что предотвращает захват дырок и обеспечивает плавный транспорт заряда.
В рамках этого семейства один материал оказался особенно перспективным: tB-CZ2CO, производное QAO с объёмными трет-бутильными боковыми группами. Устройства, содержащие всего 0,5% этого материала, производили резкое, глубокое синее излучение на длине волны 447 нм с узкой полосой пропускания 20 нм, что соответствует строгим стандартам цвета BT.2020 для дисплеев с широкой цветовой гаммой.
Анализируя, как молекулярная структура и электронные свойства допантов влияют на транспорт заряда и формирование ловушек, исследователи установили чёткие правила проектирования для выбора допантов, которые производят узкополосное синее излучение.
«В целом наши результаты не только проясняют сложные механизмы легирования в UC-OLED, но и создают рациональную основу для проектирования энергоэффективных синих UC-OLED с высокой чистотой цвета, что имеет широкие последствия для оптоэлектронных приложений следующего поколения», — говорит Идзава.
Эта работа решает давнюю проблему и прокладывает путь к созданию более чётких и энергоэффективных дисплеев с более низким энергопотреблением в телевизорах с большими экранами, дисплеях смартфонов и других технологиях на основе OLED.
Advanced Optical Materials on September 30, 2025.»,»The device is based on upconversion-type OLEDs (UC-OLEDs), which generate light through a process called triplet–triplet annihilation (TTA). In conventional OLEDs, light is produced when electrons and holes meet in the emission layer, forming a charge-transfer state that excites a fluorescent dopant.»,»UC-OLEDs reduce the operating voltage by shifting this process: electrons and holes form a charge-transfer state at the interface between the hole transport layer and the electron transport layer. This energy is then transferred to triplet excitons in the host material, and when two triplets annihilate, they create a higher-energy singlet state. That singlet then excites a dopant molecule, which emits light.»,»However, earlier versions of UC-OLEDs struggled with color purity. They often produced sky-blue light with a broad spectrum. The problem stemmed from the choice of dopant and its tendency to trap holes. In UC-OLEDs, there are no free electrons available to neutralize these trapped charges. As a result, trapped holes accumulate, reducing the mobility of other holes and preventing efficient recombination.»,»To overcome this, the team tested a range of blue-emitting dopants. They began with the DABNA family of materials, known for their narrow emission. In practice, however, these dopants slowed down charge movement and raised the operating voltage by 1 to 2 V. This occurred because DABNA has a higher highest occupied molecular orbital (HOMO) level (the energy level for holes) than the host material, causing the molecules to act as traps that block hole transport. However, they noticed that when the traps were shallow enough, trapped holes could escape via thermal energy.»,»Building on this insight, the researchers introduced a new class of dopants: the QAO family. QAO, short for quinolinoacridine-dione, belongs to a group of multi-resonance thermally activated delayed fluorescence molecules. Importantly, their HOMO levels are lower than those of the host materials, which prevents them from trapping holes and ensures smooth charge transport.»,»Within this family, one material proved especially promising: tB-CZ2CO, a QAO derivative with bulky tert-butyl side groups. Devices containing only 0.5% of this material produced sharp, deep blue emission at 447 nm with a narrow bandwidth of 20 nm, meeting the demanding BT.2020 color standard for wide-gamut displays.»,»By analyzing how the molecular structure and electronic properties of dopants affect charge transport and trap formation, the researchers established clear design rules for selecting dopants that produce narrowband blue emission.»,»\»Overall, our findings not only elucidate the complex doping mechanisms in UC-OLEDs but also establish a rational framework for designing energy-efficient, high-color-purity blue UC-OLEDs with broad implications for next-generation optoelectronic applications,\» says Izawa.»,»This work addresses a long-standing challenge and paves the way toward sharper, more energy-efficient displays with lower power consumption in large-screen televisions, smartphone displays, and other OLED-based technologies.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tInstitute of Science Tokyo\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник