Учёные из Национального университета Сингапура (NUS) и их коллеги продемонстрировали, что великие идеи процветают в сочетании с терпением
В 2011 году небольшая группа молодых исследователей собралась вокруг устаревшего оптического стенда на кафедре химии Национального университета Сингапура (NUS). Они наблюдали слабое мерцающее свечение на экране. Их цель казалась обманчиво простой: заставить изоляционный кристалл излучать свет при прохождении через него электричества. Однако задача была почти невыполнима.
Предыстория: 2011 год
Небольшая группа молодых исследователей собралась вокруг устаревшего оптического стенда на кафедре химии Национального университета Сингапура (NUS). Они наблюдали слабое мерцающее свечение на экране. Их цель казалась обманчиво простой: заставить изоляционный кристалл излучать свет при прохождении через него электричества. Однако задача была почти невыполнима.
Нанокристаллы лантаноидов, известные своей химической стабильностью и точностью цветового состава, были изоляторами, упорно сопротивляющимися электрическому возбуждению.
В течение следующих 14 лет целеустремлённая команда исследователей из NUS, Харбинского университета, Шэньчжэньской международной аспирантуры Университета Цинхуа и Городского университета Гонконга со спокойной решимостью преследовала одну идею, придерживаясь простой веры: даже самые неподатливые материалы однажды смогут сиять.
Электролюминесценция, прямое преобразование электричества в свет, привела к развитию современной цивилизации, от экранов телефонов до городских пейзажей. Но, несмотря на успех органических излучателей и квантовых точек, исследователи долгое время пытались объединить в одной системе возможность настройки цвета, эффективность и долговечность. Нанокристаллы лантаноидов, казалось, обещали это, если бы их можно было заставить проводить электричество.
Прорыв команды, опубликованный в Nature, стал результатом переосмысления процесса генерации света. Вместо того чтобы пропускать ток через изоляционные нанокристаллы, исследователи обернули их специально разработанными органическими полупроводниковыми молекулами.
Эти адаптированные лиганды действовали как молекулярные посредники, захватывая электроны и дырки под действием электрического поля и передавая их энергию ионам лантаноидов внутри кристалла. В результате было получено яркое, стабильное световое излучение в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного спектра без изменения структуры устройства.
Спектроскопические тесты выявили сверхбыстрое спиновое преобразование и почти 99% перенос энергии триплетов, что стало беспрецедентным уровнем контроля над динамикой экситонов. Устройства, изготовленные с использованием этой гибридной платформы, были в 76 раз более эффективными, чем предыдущие версии, и могли изменять свой цветовой выход с зелёного на тёплый белый и до ближнего инфракрасного диапазона, просто изменяя легирующую добавку лантаноидов.
Идея, положившая начало этому открытию, возникла в 2011 году, когда профессор Лю Сяоган с кафедры химии NUS обсудил любопытную возможность с двумя молодыми исследователями в своей группе — доктором Сюй Хуэй, который тогда был докторантом (сейчас профессор в Харбинском университете), и Хань Саньяном, который тогда был аспирантом (сейчас доцент в Университете Цинхуа).
Они задались вопросом, можно ли заставить изоляционный нанокристалл лантаноида излучать свет с помощью электричества. Ранние эксперименты показали многообещающие результаты, но давали лишь слабые проблески и очень низкую эффективность.
Профессор Лю вспоминал: «В то время электрический ток едва мог дать какое-либо измеримое излучение, но мы были очарованы этой возможностью. Это было похоже на погоню за светом, заключённым в камне».
Отказавшись сдаваться, исследователи расширили своё сотрудничество, чтобы объединить опыт в области синтеза наноматериалов, молекулярного дизайна и разработки устройств. Каждая итерация — каждый слабый сигнал или спектральная трасса — приносила новое понимание того, как энергия перемещается или не перемещается через интерфейс между молекулами и нанокристаллами.
С годами терпение постепенно заменило разочарование, и то, что начиналось как спекулятивная идея, превратилось в глубокое понимание того, как молекулярные лиганды могут опосредовать перенос заряда в изоляционных материалах.
«Нам потребовалось более 14 лет, чтобы заставить изолятор сиять. Свет, который мы видим сегодня, является результатом не только устройства, но и многих лет настойчивости, сотрудничества и веры в то, что даже изолятор может засиять, если его энергетический ландшафт хорошо изучен», — пояснил профессор Лю.
«Лично я искренне благодарен за то, что был частью этого долгого пути. Видеть, как идея выдерживает неудачи и постепенно обретает форму благодаря командной работе, было одним из самых значимых событий в моей карьере», — добавил он.
Предоставлено Национальным университетом Сингапура