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 25-43-02158
НазваниеЭкологичный синтез InP квантовых точек и создание эластичных светоизлучающих диодов на их основе
Руководитель Кукушкин Вадим Юрьевич, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №113 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые слова Гибкая оптоэлектроника, эластичные светодиоды, квантовые точки InP, силиконовые материалы, одностенные углеродные нанотрубки, нитевидные нанокристаллы GaP.
Код ГРНТИ31.17.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В последние годы гибкие и растяжимые дисплеи и экраны привлекают все бóльшее внимание в связи с их потенциальным применением в компактной и носимой оптоэлектронике, такой как смартфоны, умные часы, мониторы здоровья. Основным компонентом таких гибких дисплеев являются светоизлучающие диоды (LED), которые в значительной степени определяет цветовую гамму, разрешение и яркость экранов. Однако основной проблемой до сих пор является разработка гибких LED, обладающих одновременно высокими показателями световой эффективности и устойчивостью к механическим деформациям.
Квантовые точки (КТ) – одни из наиболее перспективных материалов для создания дисплеев высокой четкости благодаря высокой чистоте цвета и узким спектрам излучения. Светодиоды на основе КТ считаются основной материальной базой для следующего поколения источников освещения и дисплеев (QLED). Согласно недавним публикациям, гибкие светодиоды на основе Cd демонстрируют квантовую эффективность примерно 20%. Однако токсичность кадмия, входящего в состав наиболее используемых КТ, существенно ограничивает дальнейшую коммерциализацию QLED. В свою очередь, квантовые точки на основе InP (с шириной запрещенной зоной 1,35 эВ и большим экситонным радиусом ~10 нм) при варьировании их размера позволяют покрыть спектральный диапазон от видимого до ближнего инфракрасного света. Кроме того, внешняя квантовая эффективность красных и зеленых QLED на основе InP превышает 20%, что делает их наиболее перспективной альтернативой Cd КТ. Тем не менее, для синтеза InP КТ обычно используются огнеопасные и токсичные прекурсоры фосфора. В связи с этим актуальным является разработка экологичных и безопасных методов синтеза InP КТ.
Следует подчеркнуть, что QLED на основе InP были получены преимущественно на жестких подложках. Для представленных на данный момент в литературе гибких QLED в качестве подложек используют преимущественно полиэтилентерефталат или полиэтиленнафталат, которые имеют ограниченную гибкость, допуская только сгибание, а не складывание и/или растягивание. Поэтому в данном проекте предлагается использовать в качестве полимерных подложек полисилоксаны и силиконовые материалы на их основе, которые обладают высокой гибкостью, эластичностью, биоинертностью и при определенной химической модификации способностью к самозалечиванию после механических повреждений.
Для эффективной инжекции носителей заряда в активную область КТ предлагается использовать распределенный электрод на основе массива А3В5 нитевидных нанокристаллов (ННК), частично инкапсулированных в силиконовые пленки. В такой геометрии увеличивается эффективная площадь контакта электрода и активного слоя, при этом электрод является эластичным и оптически прозрачным. GaP ННК за счет своей уникальной геометрии (высокого отношения длины к диаметру) обладают прекрасными механическими свойствами, могут быть легированы до p-, n-типов проводимости, а также за счет непрямозонной структуры являются оптически прозрачными в большей части видимого диапазона. Для обеспечения латеральной проводимости данный электрод предлагается модифицировать слоем также эластичных и оптически прозрачных одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ).
В связи с этим целью данного проекта является разработка гибких и растяжимых QLED на основе экологичных InP КТ, сочетающих высокую квантовую эффективность с эластичностью и механической прочностью.
Для достижения данной цели требуется решить ряд исследовательских задач, таких как: 1) разработка и оптимизация экологичных методов синтеза стабильных InP КТ; 2) выбор и синтез новых гибких силиконовых подложек; 3) создание эластичных прозрачных электродов на основе слоев ОУНТ и упорядоченных массивов ННК (распределенный электрод), интегрированных в силиконовые матрицы; 4) создание эластичных QLED на основе InP КТ и распределенного электрода. Таким образом, правильный выбор КТ, полимерных подложек и распределенных электродов должен привести к оптимальной комбинации проводимости, прозрачности и эластичности светодиодов.
Ожидаемые результаты
Предлагаемый проект полностью соответствует мировому научному уровню. Исключительные свойства InP КТ, такие как высокий квантовый выход фотолюминесценции, узкая полоса излучения (ширина спектральной линии), регулируемая длина волны излучения (в зависимости от размера КТ) и экологичность, делают QLED одной из перспективных технологией.
В ходе выполнения проекта ожидаются следующие научные результаты:
1) Разработка контролируемого и экологичного метода синтез КТ типа «ядро-оболочка» на основе InP со сверхнизким содержанием поверхностных или дислокационных дефектов. Поиск и анализ новых прекурсоров фосфора, исследование механизмов их зародышеобразования/кристаллизации для получения КТ с узкой шириной линий излучения и высоким квантовым выходом. Свойства КТ на основе InP: квантовый выход ФЛ >90%, ширина спектральной линии <40 нм.
2) Получение пленок КТ на основе InP с использованием сопряженных сшивающих органических лигандов, анализ кинетики реакций сшивки in situ. Характеристики пленок КТ: электрические свойства и механическая прочность.
3) Установление механизмов взаимодействия между поверхностью InP КТ и подложкой, анализ термодинамических условий, влияющих на обмен лигандов.
4) Создание эластичного прозрачного распределенного электрода на основе массива GaP (или Si) ННК/ПДМС/ОУНТ (ННК – нитевидные нанокристаллы, ПДМС – полисилоксаны и другие силиконовые материалы, ОУНТ – одностенные углеродные нанотрубки), сохраняющего электропроводность и механическую стабильности при изгибах и растяжении. Свойства растяжимого электрода: прозрачность светодиодной мембраны > 75%, растяжимость всего электрода не менее 10%, ухудшение проводимости ОУНТ в растянутом состоянии не более 5%.
5) Синтез новых силиконовых материалов в качестве мембран для ННК. Свойства силиконовых материалов: высокая гибкость и эластичность, прозрачность, относительная механическая прочность, способность к самовосстановлению после механических повреждений (самозалечивание).
6) Создание эластичных QLED на основе InP КТ и распределенных электродов. Исследование и выявление динамики переноса заряда между интерфейсами в QLED-устройствах на основе InP КТ при механической деформации, описание взаимосвязи процессов на интерфейсах структуры КТ с комбинированным распределенным электродом GaP ННК/силиконовая мембрана/ОУНТ, и эффективностью устройства. Свойства растяжимого QLED на основе InP: внешняя квантовая эффективность > 20%.
Достижение заявленных результатов создаст научно-технологическую платформу для получения эластичных светодиодов на основе InP КТ, которые могут быть использованы при разработке различных оптоэлектронных устройств нового поколения, таких как экраны складных мобильных устройств, микродисплеев или индикаторов.
Следует отметить, что к настоящему моменту китайская команда участников проекта уже добилась значений внешнего квантового выхода более 25% для QLED на основе традиционных КТ (CdSe). Российская команда успешно создает и изучает растяжимые, проводящие субстраты, а также синтезирует широкий круг функциональных силиконовых материалов. Таким образом, данный совместный исследовательский проект направлен на создание высокоэффективных гибких и растяжимых QLED устройств на основе экологичных InP КТ путем объединения сильных сторон обеих команд.