Nový typ OLED bude jasně svítit i bez vzácných kovů
Nový způsob, jak získat světlo z organických diod v budoucnu zlevní výrobu displejů a možná také umožní vizualizovat magnetické pole.
Tým německých a amerických vědců vytvořil nový typ organické diody, která dokáže emitovat stejné množství světla, jako dnes komerčně využívané OLED, ale bez potřeby příměsi vzácných kovů, které se do nich přidávají, aby byl světelný výkon dostatečný. Kdyby se výrobci obešli bez prvků jako je iridium nebo platina, nemuseli by se obávat toho, že zásoby těchto prvků budou jednou vyčerpány. To by jim umožnilo snížit náklady na výrobu OLED, stále více používaných v displejích televizí a chytrých telefonů i v polovodičovém osvětlování.
OLED diody převádějí na světelné záření jen část elektrického proudu. To je způsobeno kvantově mechanickými vlastnostmi elektronů, zejména spinu, což je označení pro stav elektronů, který ovlivňuje magnetické vlastnosti molekuly. Když mají spiny většiny elektronů v materiálu shodný moment, je materiál magneticky nabitý. Možné jsou celkem čtyři různé stavy, z čehož tři uvolňují energii ve formě tepla a jen čtvrtý v podobě světla. To znamená, že pouze čtvrtina elektřiny vpuštěné do diody emituje světlo. Výrobci dnešních OLED přidávají do uhlovodíkových molekul atomy vzácných kovů právě proto, aby ovlivnili spinové stavy elektronů v jejich molekulách a zvýšili tak množství kombinací, které budou schopny světlo generovat.
John Lupton, fyzik na Řezenské univerzitě, zjistil, že některé elektrony mohou svůj spin na světelnou konfiguraci přepínat samy od sebe. Pokud elektronový pár udržíte v elektricky excitovaném stavu po dostatečně dlouhou dobu, než změní svůj spin, uvolní nahromaděnou energii spíše ve formě světla než tepla. Dostatečně dlouho přitom znamená milisekundy místo nanosekund, které takový jev trvá obyčejně.
Celý princip spočívá v charakteru organických molekul použitých pro vytvoření OLED. Objevili jej společně výzkumníci z Regensburgu, Bonnské univerzity, University of Utah a MIT. Vědci vyvinuli dvě molekuly polycyklických aromatických uhlovodíků – fenazin a trifenylen. Atomové struktury těchto molekul jsou takové, že dokáží zadržet náboj dostatečně dlouho k tomu, aby došlo ke spontánní změně. Objev byl pro vědce překvapením, protože zkoumali jinou vlastnost organických světlených diod, navíc podle standardních výkladů v učebnicích fyzikální chemie by k něčemu takovému vůbec nemělo docházet ..
Jiný způsob, jak zvýšit účinnost OLED bez použití vzácných kovů vyvinul také Chihaya Adachi z Univerzity na Kjůšů v Japonsku, který vytvořil uhlovodíkovou molekulu, která emituje světlo fluorescenčně a ne fosforescenčně, jako většina OLED závislých na vzácných kovech. Mechanismus Adachi nazval zpožděnou termálně aktivovanou fluorescencí a spočívá v tom, že tepelná energie, kterou vydají některé náboje, je využita na to, aby „rozsvítila“ ty ostatní. Materiál má vnitřní účinnost 100 procent, přepočteno na elektrickou účinnost 14 % - v porovnání s 20 procentní účinnosti v dnešních komerčních OLED.
Alán Aspuru-Guzik – chemik z Harvardské univerzity, vidí v práci Adachiho a Luptona objevy, které mohou vést k průlomu na poli výroby OLED. Také by mohly přispět ke zlepšení technologie organických emitorů světla na modré straně spektra – právě toto světlo bylo zatím nejtěžší vyrobit. V současnosti je cena vzácných kovů používaných v OLED tak nízká, že výrobci nejspíš nebudou potřebovat ani jeden z objevů v dohlednu využít. Může však pro ně začít být zajímavá ve chvíli, kdy cena iridia stoupne.
Zajímavější by mohl být jiný aspekt Luptonova objevu: spiny nosičů náboje v tomto typu OLED mohou ovládat vlnovou délku emitovaného světla. Barvou tak lze vlastně změřit spin elektronů v OLED. A protože spin na kvantové úrovni v makrosvětě odpovídá magnetismu, může být světlo z těchto OLED mimořádně citlivé na magnetické pole. Barva OLED by se tak mohla stát jakýmsi kompasem. Takto vytvořená zařízení by mohla být citlivější než dnes používané hallovy snímače, používané dnes v navigačních systémech chytrých telefonů a v automobilech, kde měří otáčky.
Výzkum by mohl dokonce poskytnout nové poznatky o tom, jak se podle magnetického pole země řídí při letu ptáci. Přestože o přesném mechanismu se stále vede diskuse, někteří vědci mají za to, že jejich oči vidí posuny v magnetickém poli jako jemné změny barev. Lupton se domnívá, že jejich vidění může být citlivé na změny barev způsobené změnami ve spinech elektronů.
Původní článek na IEEE Spectrum
Obrázek: IEEE Spectrum, University of Regensburg