Dioda OLED z jednej cząsteczki politiofenu

oled

Wyścig w miniaturyzacji elektroluminescencyjnych diód organicznych OLED (z ang. organic light-emitting diode) trwa w najlepsze. Współpraca naukowców z Université de Strasbourg (IPCMS) oraz Université Pierre et Marie Curie (UPMC) z Francji przyniosła owoc w postaci pierwszej w historii, pojedynczej cząsteczki zachowującej się jak organiczna dioda OLED. Urządzenie utworzone z jednostki politiofenu (z ang. polythiophen, PT), zawieszone pomiędzy dwiema elektrodami, emitowało promieniowanie w zakresie światła widzialnego.

Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) są urządzeniami półprzewodnikowymi, których upowszechnienie zawdzięczamy stosowaniu ich w smartfonach, tabletach i telewizorach. Wyświetlacze OLED zbudowane są m.in. ze związków organicznych – polimerów elektroprzewodzących. Do najważniejszych można zaliczyć poliacetylen, polianilinę, polipirol oraz politiofen. Działanie diody OLED jest podobne do zachowania diody LED – w dużym uproszczeniu przetwarza ona energię elektryczną na promieniowanie o określonej długości fal, które ludzkie oko odbiera jako barwy.

Pojedynczy komponent OLED składa się z warstwy emisyjnej, warstwy przewodzącej i podłoża, zamkniętych między dwiema elektrodami (anodą i katodą). Podłoże stanowi najczęściej szkło, tworzywo sztuczne lub folia, a warstwy emisyjna i przewodząca zbudowane są z materiałów półprzewodnikowych, charakteryzujących się przewodnictwem elektronowym z zakresu pomiędzy przewodnikami a izolatorami. Anoda zwykle wytwarzana jest z ITO (z ang. Indium Tin Oxide), stałego roztworu tlenku indu(III) i tlenku cyny(IV), a katoda z metali – baru lub wapnia. Te ostatnie, ze względu na swoją reaktywność często pokrywane są glinem, aby zapobiec degradacji. Dzięki prostej konstrukcji oraz wykorzystaniu przezroczystego, elastycznego podłoża, wyświetlacz jest bardzo cienki i może przekazywać obraz z obu stron. Dodatkowymi zaletami są: krótki czas reakcji (nawet poniżej 0,05 s), szerokie kąty widzenia (praktycznie 180 stopni), bardzo dobry kontrast i jasność. Niestety rozwój technologii OLED hamują stosunkowo wysokie koszty produkcji, problemy związane z wytwarzaniem ekranów o większych powierzchniach oraz ograniczenia patentowe.

Podobnie jak w półprzewodnikach LED, przyłożenie napięcia do diody OLED powoduje przepływ elektronów w jednym kierunku – od katody do anody. W przeciwnym kierunku poruszają się dziury elektronowe. W tym momencie warstwa emisyjna naładowana jest ujemnie, a warstwa przewodząca staje się bogata w dodatnio naładowane dziury. Następuje rekombinacja, a wyniku zderzenia różnoimiennych nośników obserwujemy emisję promieniowania elektromagnetycznego (fononów).

Naukowcy z Francji wykorzystali do budowy diody OLED pojedynczy łańcuch z politiofenu zawieszonego pomiędzy elektrodami – końcówką skaningowego mikroskopu tunelowego (z ang. Scanning Tunneling Microscope, STM) oraz podłożem ze złota. Najbardziej zauważalną własnością politiofeli jest przewodność elektryczna, która wynika z delokalizacji elektronów wzdłuż łańcucha polimeru. Liczba proponowanych zastosowań „metali syntetycznych” obejmuje produkcję tranzystorów polowych, elementów elektroluminescencyjnych, ogniw słonecznych, urządzeń optycznych, baterii oraz biosensorów. Związek składający się z atomów wodoru, siarki i węgla był już wcześniej używany do budowy wyświetlaczy OLED, ale nigdy nie uruchomiono diody na bazie pojedynczej molekuły.

Badacze zarejestrowali emisję światła czerwonego (630 do około 780 nm) łańcucha politiofenu w momencie przyłożenia napięcia. Zauważyli oni także, że układ wysyłał fale z zakresu światła widzialnego tylko w przypadku przepływu prądu od końcówki mikroskopu do podłoża ze złota. Gdy nastąpiło odwrócenie polaryzacji, transmisja była znikoma.

Nowe urządzenie umożliwia naukowcom badanie zjawisk luminescencji na poziomie cząsteczkowym. Obecnie, inżynierowie skupiają się na odpowiednim doborze materiałów, pod kątem optymalizacji produkcji bardziej zaawansowanych i wydajnych emiterów światła. Badacze podkreślają, że ich praca jest pierwszym krokiem w kierunku tworzenia elementów o wielkości pojedynczych molekuł, które łączą w sobie właściwości elektroniczne i optyczne. Podobne komponenty mogą w przyszłości dać podstawę do budowy komputerów molekularnych.

Źródło:
[1] Gael Reecht, Fabrice Scheurer, Virginie Speisser, Yannick J. Dappe, Fabrice Mathevet, Guillaume Schull. Electroluminescence of a Polythiophene Molecular Wire Suspended between a Metallic Surface and the Tip of a Scanning Tunneling Microscope. Physical Review Letters, January 28, 2014 DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.047403
[2] http://www2.cnrs.fr/sites/en/fichier/trans_b_cp_led_moleculaire_012014_v22.pdf [10.02.2014]
[3] http://arxiv.org/pdf/1401.2322.pdf [10.02.2014]
[4] http://prl.aps.org/abstract/PRL/v112/i4/e047403 [10.02.2014]
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Oled [10.02.2014]
[6] The World’s Largest 4K OLED by Digitas Photos, flickr.com, CC BY 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *