Физики и химики МГУ нашли способ усиливать и контролировать направление узкой линии люминесценции органических комплексов на основе европия с помощью нового класса фотонных наноструктур – плазмонных кристаллов. Исследование открывает перспективы для создания нового поколения энергоэффективных OLED-дисплеев с высокой чистотой цвета за счёт применения плазмонных кристаллов, которые направляют и многократно усиливают узкополосное излучение редкоземельных комплексов. Результаты работы опубликованы в журнале Q1 The Journal of Physical Chemistry Letters.
Органические светодиоды (OLED) на сегодняшний день приобрели колоссальное значение при производстве дисплеев, компьютеров, телефонов и других устройств, требующих вывода информации на экран. OLED-технологии основаны на явлении электролюминесценции – возникновении свечения на определённых длинах волн при протекании электрического тока через слой люминофора. Несмотря на большие преимущества данной технологии в энергоэффективности, все еще существуют ряд проблем, которые необходимо решить для повышения функциональности таких устройств. Например, OLED-ячейки (пиксели) обладают низкой эффективностью вывода излучения, связанной с волноводными потерями. Часть света не может покинуть ячейку из-за эффекта полного внутреннего отражения. Помимо этого, актуальной задачей является повышение чистоты цвета за счет снижения ширины полосы испускания.
Перспективным материалом в OLED-ячейках являются соединения редкоземельных металлов, таких как европий (Eu), тербий (Tb) и иттербий (Yb), с органическими лигандами. Они обладают высоким квантовым выходом и способны излучать в красном, зеленом и даже инфракрасном диапазоне. При этом спектральная ширина излучаемого света очень узкая и составляет около 10 нм, что повышает чистоту цвета. Однако данные соединения имеют долгое время жизни возбужденного состояния, достигающее 0.1-1 мс, что существенно препятствует высокой эффективности излучения при внедрении их в OLED-ячейки.
Для преодоления проблем, связанных с волноводными потерями и большими временами жизни молекул, команды физического факультета и факультета наук о материалах МГУ предложили использовать комбинацию излучающих редкоземельных молекул с поверхностными плазмон-поляритонами. Поверхностные плазмоны представляют собой один из видов поверхностных волн, в которых участвуют колебания свободных электронов в металле и электромагнитные волны. С помощью поверхностных плазмонов можно в значительной степени повысить концентрацию поля в субдлиноволновой области вблизи металлической поверхности. Органические комплексы на основе редкоземельных молекул способны взаимодействовать с этим полем, что существенным образом модифицирует их излучение.
«В данном исследовании для возбуждения поверхностных плазмонов мы использовали специально изготовленные фотонные наноструктуры – плазмонные кристаллы. Они представляли собой периодически наноструктурированную алюминиевую поверхность. За счет подбора периодичности и глубины модуляции таких решеток были определены параметры, при которых поверхностные плазмоны возбуждаются на углах, близких к нормали поверхности, и на длине волны излучения европиевого органического комплекса, который в дальнейшем наносился на плазмонные кристаллы. Европиевый комплекс излучает красный цвет, поэтому может рассматриваться как альтернатива красному пикселю в OLED-дисплеях», – рассказал Александр Фролов, научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.
«После нанесения координационных соединений европия на изготовленные плазмонные кристаллы излучение фотолюминесценции претерпело ряд улучшений. Появлялась направленность излучения на углах, соответствующих возбуждению поверхностных плазмонов в плазмонных кристаллах. Эти углы лежали близко к нормали поверхности, что существенным образом позволило снизить волноводные потери в OLED-ячейках. Помимо направленности излучения европия мы обнаружили, что интенсивность фотолюминесценции усиливается в четыре раза за счет возбуждения поверхностных плазмонов. В дополнение излучение, усиленное плазмонами, обладало почти в два раза меньшим временем жизни возбужденного состояния, что существенно для дальнейшего использовании данных комплексов в прикладных задачах», – объяснила Валентина Уточникова, профессор факультета наук о материалах МГУ.
«Таким образом комбинация плазмонных материалов с европиевыми органическими комплексами позволила улучшить основные характеристики их люминесценции. Во-первых, направить излучение фотолюминесценции под углы, близкие к нормали, что позволит избежать волноводные потери. Во-вторых, многократно усилить интенсивность излучения фотолюминесценции. И наконец, возбуждение плазмонов позволило существенно сократить время затухания фотолюминесценции», – пояснил Александр Фролов, научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.
«Все это открывает перспективы для разработки таких плазмонно-излучающих ячеек на основе редкоземельных элементов, которые могут заменить существующие OLED-дисплеи», – резюмировал Андрей Федянин, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ.
Работа была выполнена сотрудниками физического факультета и факультета наук о материалах МГУ в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина», 2024-2026 г. Часть работ также осуществлялась за счет гранта РНФ 24-72-00042.
Данная работа была выбрана редакцией на обложку выпуска журнала.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: cc0collection - ru.123rf.com
