Новые TADF-материалы для органических светодиодов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-49-02038

НазваниеНовые TADF-материалы для органических светодиодов

Руководитель Паращук Дмитрий Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №87 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова Органические светодиоды, термически задержанная флуоресценция (TADF), органическая электроника, интеркомбинационная конверсия, электролюминесцения, фотолюминесценция, оптическая спектроскопия

Код ГРНТИ47.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Органические светодиоды (ОСД) уже широко используются для устройств визуального отображения информации, в частности дисплеев и микродисплеев, активно вытесняя жидкокристаллические экраны, поскольку сочетают в себе высокую яркость, контрастность и энергоэффективность с относительной простотой производства. Вместе с тем, энергоэффективность ОСД еще далека от своего теоретического предела, кроме того, для ОСД серьезной проблемой выступает недостаточно длительный срок службы и уменьшение эффективности с повышением яркости ОСД. Практически неограниченные возможности молекулярного дизайна светоизлучающих органических полупроводников и развитие технологии производства ОСД позволяют существенно улучшить их характеристики, в частности, энергоэффективность и стабильность работы устройств, что обусловливает высокую научную и общественную значимость результатов проекта. Так, энергоэффективность автономных светоизлучающих устройств очень важна и высоко востребована в самых разнообразных гражданских и оборонных задачах. Например, использование энергоэффективных тонкопленочных светоизлучающих устройств крайне важно для дисплейных применений особенно в портативной электронике, например в смартфонах, ноутбуках, часах, нательных гаджетах и т.д., поскольку напрямую связано с длительностью их автономной работы. Конкретная научная задача проекта состоит в создании новых люминофоров для ОСД 3-го поколения, т.н. TADF-ОСД (thermally activated delayed fluorescence, TADF), с целью повышения эффективности, стабильности и чистоты цвета (монохроматичности) электролюминесценции (ЭЛ). Предлагаемые к исследованию TADF-люминофоры представляют собой полиароматические углеводороды с гетероатомами азота и бора — мультирезонансные люминофоры, которые выступают одним из наиболее перспективных люминофоров для ОСД 3-го поколения. Путем молекулярного дизайна и квантово-химических расчетов планируется предложить новые мультирезонансные люминофоры из класса DABNA, синтезировать их, а затем исследовать их оптические, фотофизические, электрофизические и ЭЛ свойства, в том числе в составе образцов ОСД. Задачи по органическому синтезу возложены на индийскую научную группу, а задачи по использованию синтезированных люминофоров в ОСД будут выполняться российской группой. Основные научные гипотезы проекта состоят в следующем: во-первых, жесткая молекулярная структура предлагаемых к исследованию люминофоров будет обеспечивать более узкую полосу, повышенные квантовый выход, яркость и стабильность ЭЛ; во-вторых, специальные молекулярные группы в структуре люминофора будут обеспечивать стерическую защиту наиболее уязвимых (реакционно-способных) атомов (в частности, бора), приводя к повышению стабильности и подавлению каналов безызлучательной рекомбинации возбужденных состояний и нежелательных химических реакций. Научная новизна исследований заключается в следующем: будут предложены, рассчитаны методами квантовой химии и синтезированы новые TADF-люминофоры из класса DABNA; будут установлены связи структура-свойства, а именно связь молекулярной структуры TADF-люминофоров с квантовым выходом фотолюминесценции (ФЛ) и ЭЛ и различными безызлучательными каналами дезактивации возбужденных состояний, стабильностью в рабочих условиях и ширинами спектров люминесценции путем проведения ФЛ исследований в широком диапазоне температур, включая измерения с временным разрешением, и ЭЛ исследований образцов ОСД. Ожидается, что будут получены принципиально новые научные результаты, имеющие высокую значимость на мировом уровне для развития органической оптоэлектроники, а именно будут получены характеристики TADF-люминофоров и ОСД на их основе, которые будут отвечать мировому уровню или превосходить его. Ожидается, что результаты настоящего проекта будут применены для перехода к производству ОСД 3-го поколения в РФ на имеющейся технологической базе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На основе подходов к молекулярному дизайну новых TADF-люминофоров из класса DABNA, сформулированных в заявке на Проект, и новых литературных данных, появившихся с момента ее подачи, определены три основные направления молекулярного дизайна данного этапа: (1) присоединение относительно небольших заместителей (в частности, третбутил и фенил) к фенильным кольцам DABNA; (2) увеличение акцепторного и донорного характера соответствующих донорных и акцепторных фрагментов за счет добавления дополнительных атомов бора и азота/кислорода; (3) сшивка боковых фенильных колец DABNA за счет различных линкеров. Предложено и смоделировано 25 различных модификаций люминофоров типа DABNA (среди которых 12 новых), отличающихся различными заместителями, количеством атомов бора, способом присоединения боковых фенильных колец и химическим составом. Среди исследованных люминофоров наиболее перспективными для Проекта представляются молекулы на основе сопряженного ядра TAzBN, где фенильные кольца фрагмента DABNA сшиты алкильным двухуглеродным мостиком. В результате ряд новых люминофоров с ядром TAzBN предложен индийскому партнеру для синтеза. Для всех предложенных структур были получены равновесные геометрии в различных энергетических состояниях (в частности, S0, S1, T1), а также рассчитаны энергетические и спектральные свойства, такие как энергии и профили граничных орбиталей, энергии возбуждённых состояний, энергии электронных переходов и соответствующие им силы осциллятора. Выполнена оценка стабильности ряда из предложенных структур с использованием метода оценки энергии диссоциации (разрыва) химической связи, который показал, что наиболее слабой связью молекулы DABNA и её модификаций является одинарная связь между фенильным кольцом и ядром. Выявлены следующие связи молекулярной структуры TADF-люминофоров типа DABNA с их свойствами: (1) сшивка боковых фенильных колец ядра DABNA с помощью различных линкеров смещает спектр фотолюминесценции в длинноволновую область на ~ 0.2–0.3 эВ, при этом сила осциллятора перехода S1→S0 почти не меняется; (2) увеличение количества атомов бора и углерода ведет к значительном увеличению силы осциллятора S1→S0; (4) при добавлении различных производных акридина в качестве заместителя, сила осциллятора перехода S1→S0 становится очень малой (0.002), что свойственно донорно-акцепторным TADF-люминофорам, не проявляющим мультирезонансный эффект. В результате анализа литературных данных по более чем 400 TADF-люминофорам на основе молекул DABNA статистически достоверно выявлен эффект тяжёлого атома, заключающийся в увеличении скорости обратной интеркомбинационной конверсии. Таким образом, включение тяжелых атомов в состав мультирезонасных TADF-люминофоров может служить перспективным направлением их молекулярного дизайна. В экспериментальной части Проекта исследованы: новая производная молекулы DABNA (SA-317) и донорно-акцепторный TADF-люминофор на основе триазина и карбазолов (2Cz-TRZ). Приготовлены пленки люминофоров, в т.ч. в виде матрица-люминофор. Записаны спектры поглощения и фотолюминесценции (ФЛ) в растворе и в плёнках, исследованы кинетики ФЛ, в т.ч. при различных температурах. Показано, что исследованные люминофоры проявляют эффект термически активированной задержанной флуоресценции (TADF). Получены значения квантового выхода ФЛ исследуемых люминофоров. Из полученных экспериментальных данных рассчитаны константы скоростей излучательной/безызлучательной рекомбинации, а также прямой и обратной интеркомбинационной конверсии. Проведены оценки стабильности ФЛ при лазерном облучении в пленках. Методом термического вакуумного напыления созданы образцы органических светодиодов на основе исследуемых люминофоров. Для полученных образцов светодиодов измерены вольт-амперные и ток-яркостные характеристики, получены спектры электролюминесценции, рассчитаны квантовые выходы электролюминесценции и координаты цветности.

Публикации

1. Доминский Д.И., Харланов О.Г., Паращук Д.Ю. Мультирезонансные люминофоры, основанные на эффекте термически-активированной задержанной флуоресценции, для органических светодиодов третьего и четвертого поколений (обзор) Оптика и спектроскопия, том 132, вып. 8, стр. 843-857 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.08.59031.6867-24

2. Дубинец Н.О., Доминский Д.И., Тукачёв Н.В., Сосорев А.Ю. Reliability of DFT and multiscale modelling for prediction of emission properties of blue TADF luminophores Optical Materials, 157(2), 116244, стр. 1-8. (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.116244