Цивилизация
Ученые из ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, МИФИ, а также исследовательских лабораторий Samsung разработали новую методику оценки эксплуатационной стабильности полупроводниковых материалов, используемых в органических светоизлучающих устройствах (OLED). Разработанная исследователями технология позволяет направленно отбирать вещества, наиболее устойчивые в условиях работы OLED, на основе их структурной формулы и квантовохимических расчетов, а не методом проб и ошибок. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Его результаты были представлены в журнале The Journal of Physical Chemistry C.
Органические светодиоды по праву считаются экономичными источниками освещения и ключевыми элементами современных дисплеев. Помимо высокой эффективности, приближающейся к теоретическому пределу, они весьма экологичны, так как не включают токсичных элементов, таких как ртуть и кадмий, содержат очень небольшие количества редких и драгоценных элементов или не содержат их вообще и, в принципе, могут производиться из возобновляемого сырья. Однако коммерческое применение органических светодиодов ограничивается небольшим сроком службы. По этой причине усилия разработчиков направлены не только на повышение эффективности органических светодиодов, но и на получение более стабильных полупроводников (как их составных элементов).
Исследование посвящено синим фосфоресцирующим органическим светодиодам (PhOLED). Наиболее вероятная причина того, что во время эксплуатации светимость таких светодиодов падает, — деградация молекул в эмиссионном (излучающем) слое PhOLED. Светимость может уменьшаться за счет двух процессов: разрушения функциональных молекул в эмиссионном слое и накопления дефектов. Обычно эти процессы связаны друг с другом: функциональные молекулы разрушаются, а продукты их распада как раз и служат такими дефектами. Речь идет о молекулах в функциональных органических материалах, обладающих полупроводниковыми свойствами и использующихся в виде аморфных тонких пленок.
Экспериментально исследовать важнейшие структурные и фотохимические свойства этих материалов не всегда возможно и достаточно затратно, именно поэтому эффективной альтернативой эксперименту оказываются методы компьютерного атомистического моделирования. Ученые разработали расчетную схему, позволяющую оценить эксплуатационную устойчивость материалов в PhOLED. Российские исследователи применили методы квантовой химии, которая может предсказывать различные свойства вещества, зная только его формулу. Квантовая химия помогает определить наиболее вероятные каналы распада функциональных молекул в процессе работы OLED и даже пути дальнейшего превращения продуктов распада и таким образом способствует интерпретации экспериментальных результатов.
В своей работе ученые применили метод многоконфигурационного самосогласованного поля и многоконфигурационной теории возмущений. Чаще для таких больших молекул, как органические полупроводники, используется метод функционала плотности. Расчет одной молекулы занимает несколько часов на суперкомпьютере или несколько суток на рабочей станции. Однако авторы статьи имели дело с возбужденными и заряженными состояниями разной природы, которые надо моделировать с одинаковой точностью, поэтому они использовали более точный многоконфигурационный метод, которым на суперкомпьютере «Ломоносов» одна молекула считается несколько суток.
«Мы смотрели на стабильность молекул внутри светоизлучающего слоя, пребывающих в заряженном и/или возбужденном состоянии. Суть нашей методики такова: надо поискать слабые связи между атомами, «разорвать» молекулы по ним и посмотреть, чего это стоит, в какую энергию обойдется этот разрыв. Чем больше энергии нужно затратить, тем более стабильна молекула. Мы нашли простые дескрипторы (параметры молекулы), которые нужно вычислить методами квантовой химии, и из них скомбинировать величину, которая даст нам оценку устойчивости различных молекул», — объясняет соавтор исследования Александра Фрейдзон.
Новая методика позволяет оценить, насколько потенциальные органические полупроводники пригодны в условиях работы светодиода, что существенно ускорит разработку новых устройств. Однако этим ее практическое применение не ограничивается.
«Наше исследование появилось так: на нас вышли производители электроники, физики и технари. Химической интуиции у них нет, поэтому мы и предложили им методику, не требующую профессиональной химической подготовки. Этот подход позволяет производителям рассматривать молекулы не только матриц светоизлучающего слоя OLED, в которых содержится люминофор, но и излучателей, проводников, полимеров и так далее», — отметила Фрейдзон.
