Исследователи из Университета Кюсю в японском городе Фукуока создали ряд органических молекул, которые способны спонтанно выравниваться на поверхности, создавая контролируемые электрические поля. Эти свойства могут улучшить характеристики будущих OLED-устройств, сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Опираясь на фантастическую химическую универсальность углерода, которая делает возможными живые организмы, органическая электроника уже привела к созданию ярких и даже гибких экранов смартфонов и телевизоров, а на горизонте появились приложения для солнечных батарей, лазеров и схем. Эта гибкость частично обусловлена неупорядоченным характером тонких пленок материалов, используемых в устройствах. В отличие от обычной неорганической электроники, основанной на атомах кремния, тесно связанных в жестко структурированных кристаллах, органика обычно образует «аморфные» слои, организованные далеко не так четко.
Несмотря на кажущуюся случайной организацию молекул, исследователи из Университета Кюсю обнаружили, что некоторые из них на самом деле имеют тенденцию выстраиваться в одинаковых направлениях, сильно влияя на свойства устройства и создавая новые возможности для управления производительностью устройства. Это похоже на успешное решение того, как заставить пешеходов на пешеходном переходе спонтанно начать идти в ногу.
«Значительная работа была проделана над молекулами, которые выстраиваются таким образом, что излучаемый ими свет может легче покинуть устройство. Однако найти способы контролировать формирование подобного поля было непросто», – отметил Масаки Танака, доцент Токийского университета сельского хозяйства и технологий (TUAT), который начал этот проект в Центре исследований органической фотоники и электроники Университета Кюсю (OPERA) и продолжил дальнейшее изучение молекулярного выравнивания в аморфных пленках после перехода в TUAT.
Пленки, используемые в органической электронике, обычно имеют толщину всего в несколько десятков нанометров и часто постепенно наращиваются путем нагревания органического порошка в вакууме для его моментального перехода из твердого состояния в газообразное – процесс, известный как сублимация. Когда молекулы сублимированного порошка достигают прохладной поверхности, они прилипают, образуя дополнительный слой.
«В газовой фазе молекулы беспорядочно вращаются и сталкиваются друг с другом, поэтому они, вероятно, осаждаются на пленке в произвольном направлении. Но мы обнаружили, что определенные молекулярные единицы с атомами фтора в основном отталкиваются от поверхности осаждения. Включив эти звенья в молекулу, стало возможным выровнять осажденные молекулы в основном так, чтобы фторированные звенья были обращены наружу», – объяснил Морган Оффрей – специалист, который синтезировал молекулы.
Затем исследователи прикрепили детали, которые отталкивают либо притягивают отрицательно заряженные электроны относительно фторированного элемента. Этот дисбаланс зарядов на выровненных молекулах на поверхности приводит к так называемому поверхностному потенциалу и результирующему электрическому полю.
Поскольку осажденные молекулы и связанные с ними электрические поля имеют одинаковое направление, отдельные крошечные поля складываются, создавая гораздо большее общее поле. Эти слои, как показало тестирование, дают гигантский поверхностный потенциал около 10 В, что особенно впечатляет, если учесть, что он был спонтанно создан пленкой толщиной всего 100 нм.
Такое большое напряжение при такой малой толщине создает сильное электрическое поле, которое может способствовать получению положительных и отрицательных зарядов в различных слоях таких устройств, как OLED, тем самым повышая общую эффективность преобразования энергии. Кроме того, эти управляемые встроенные электрические конструкции можно использовать в создании других устройств нового типа, например, преобразующих вибрации в электричество.