Инновационный подход к ускоренному созданию материалов с термически активированной задержанной флуоресценцией (TADF), который может привести к значительному улучшению характеристик органических светодиодов (OLED) нового поколения разработали научные сотрудники Лаборатории низкоуглеродных химических технологий Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета. Новую методику моделирования свойств так называемых мультирезонансных TADF-эмиттеров, которые отличаются узкой полосой спектра и высокой эффективностью люминесценции исследователи представили в статье «Квантово-химическое моделирование мультирезонансных материалов с термически активированной задержанной флуорисценцией на основе B,N-гетероаренов с применением графовых нейронных сетей» («Quantum-Chemical Simulation of Multiresonance Thermally Activated Delayed Fluorescence Materials Based on B,N-Heteroarenes Using Graph Neural Networks»), опубликованной в международном журнале «The Journal of Physical Chemistry A».
«Органические светоизлучающие диоды — современная технология, которую каждый из нас встречает повседневно. Например, даже сейчас, читая этот текст с экрана смартфона или компьютера. Каждый пиксель дисплея — это маленькая «лампочка», которая светится, когда на нее подают электрический ток. Материалы для таких миниатюрных «лампочек» представляют собой полностью органические молекулы-эмиттеры, состоящие из углерода, водорода, азота, кислорода и иногда других химических элементов. Благодаря своей органической природе, такие материалы позволяют сделать очень легкие, яркие, контрастные и энергоэффективные дисплеи для экранов смартфонов, ноутбуков, умных часов и многих других устройств. В мире ведутся активные поиски таких новых эффективных материалов, которые могут быть использованы в технологии OLED. Компьютерное моделирование позволяет предсказать многие свойства с довольно хорошей точностью и изучить свойства молекул in silico, прежде чем они будут синтезированы в колбе. Такие исследования проводятся и в нашей лаборатории», — объяснил заведующий Лабораторией низкоуглеродных химических технологий ФЕН НГУ (ORËL ResearchLab) Евгений Мостович.
Новое исследование, проведенное младшим научным сотрудником лаборатории Дарьей Таракановской и Евгением Мостовичем, сосредоточено на разработке материалов с использованием передовых методов моделирования с применением графовых нейронных сетей. Эти сети позволяют эффективно предсказывать оптоэлектронные свойства молекул, что существенно ускоряет процесс разработки новых молекул. Основой для создания новых эмиттеров стали мультирезонансные молекулы, которые благодаря уникальности своей структуры, демонстрируют улучшенные свойства флуоресценции.
«Современные OLED-эмиттеры представляют собой связанную через мостик пару электрондонорной и электронакцепторной группы. Этот союз донора и акцептора обеспечивает минимальную разницу в энергии между двумя возбужденными состояниями такой молекулы – синглетным и триплетным и позволяет преобразовать все «темные» (не излучающие) триплетные состояния в способные излучать свет синглетные путем TADF. Однако у такой конструкции есть существенный недостаток, т.к. части донора и акцептора между собой соединены не жестко, а геометрии возбужденных и не возбужденных состояний сильно отличаются, на это изменение тратится много энергии приводя к уширению спектра излучения молекулы. Ширина спектра прямо влияет на цветовосприяние пикселя, например, он становится не синим, а сине-зеленым», — рассказала Дарья Таракановская.
В своих исследованиях разработчики методики использовали новый тип красителей — мультирезонансные. В них донор и акцептор представлены не в виде функциональных групп, а в виде атомов. Например, азота и бора, определенным образом увязанных в один углеродный скелет. Это создает очень жесткую структуру, а чередование атомов бора и азота приводит к эффекту мультирезонанса и позволяет получать эффективные эмиттеры с узкой полосой излучения. Однако для классического квантово-химического моделирования таких красителей требуются очень ресурсные вычислительные методы, поэтому ученые решили применить графовые нейронные сети.
«Мы стремимся создать материалы, которые могли бы существенно повысить эффективность OLED, используя преимущества мультирезонансного эффекта. Результаты нашего исследования показывают, что применение графовых нейронных сетей позволяет значительно ускорить процесс проектирования новых мультирезонансных TADF эмиттеров, что открывает новые возможности создания более эффективных и долговечных устройств», — пояснил Евгений Мостович.
Важным аспектом исследования стало изучение влияния структуры молекул на природу триплетных и синглетных состояний, а также их энергии, что критически важно для повышения скорости TADF. Ученые выявили, что добавление атомов кислорода и серы в структуру таких молекул усиливает это взаимодействие, а это в свою очередь ведет к улучшению характеристик излучения и увеличению квантового выхода фотолюминесценции. Благодаря разработанному методу ученые отобрали ряд самых перспективных молекул и теперь за дело возьмутся химики-синтетики, уже получившие первый результат. Синтезированная ими молекула обладает яркой зеленой флуоресценцией с очень узкой полосой эмиссии равной всего 25 нм. Теперь целью является синий и красный цвета, которые так нужны для полноцветного OLED-дисплея.
Работа была осуществлена в рамках проекта, поддержанного Министерством науки и высшего образования Российской Федерации. Она открывает новые перспективы в области разработки органических светодиодов с высокими показателями цветовой чистоты и эффективности. Этот проект имеет потенциал для значительного вклада в развитие светотехники и электроники, предлагая более эффективные решения для будущих технологий отображения и освещения.
