Termiski aktivētas aizturētās fluorescences materiāli efektīvām zilās gaismas OGID (2017. - 2020.)

Projekta vadītājs Dalius Gudeika

Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001 

Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/177

Piedāvātais projekts paredz radīt zemas izmaksas, stabilus un augstas efektivitātes materiālus, kuri būtu izmantojami kā zilu organisko gaismas diožu (OGID) aktīva vide - gaismas emiteri. Šie, orģinālie materiāli tiks radīti (sintezēti) balstoties uz sulfonil, piridīna un benzonitrila atvasinājumiem, kuriem piemistu Termiski Aktivētas Aizturētās Fluorescences (Thermally Activated Delayed Fluorescence - TADF) īpašības. Paredzēts, ka emiterus saturēs stingrs kodols kuram pievienotas atbilstošas emiteru un donoru struktūras padarot tos par effektīviem TADF emiteriem, kuri izmantos tripleta-singleta atpakaļ konversiju. Šo materiālu fotofizikālās īpašibas tiks raksturotas gan šķīdumos, gan plānās kārtiņās izmantojot absorbcijas, emisijas spektroskopiju kuras ļaus noteikt emisijas kvantu iznākuma un ierosinātā stāvokļa dzīves laika vērtības. Lai novērtētu sintezēto TADF materiālu elektrolumenescences parametrus tiks izgatavotas OGID struktūras. Izmantojot šos jaunos un stabilos TADF emiterus, projekta ietvaros tiek plānots izgatavot stabilas zilas krāsas OGID ar CIE krāsu koordināti iespējami tuvu zilās krāsas standartam - 0,14, 0,08. Attiecībā uz šiem OGID, tiek plānots, ka izdosies iegūt maksimālo ārējo kvantu efektivitāte augstāka (EQE) nekā 15%, vienlaicīgi sasniedzot maksimālo spilgtumu augstāku par 5000 cd / m2. Šādi parametri var atvērt praktisko pielietojumu pagatavotajām OGID struktūrām. Citi to parametri, kā piemēram ieslēgšanās spriegums, roll-off strāva, strāvas (ηc) un jaudas (ηp) efektivitātes tiks salīdzinātas ar jau zināmajiem OGID prototipiem.

Projekta realizācijas laiks 36 mēneši, kopējais finansējums 133805.88 EUR.


Jaunumi par projektu

19.11.2019.

No 2019. gada 1. augusta līdz 2019. gada 31. oktobrim tika sintezēti benzonitrila un oxygafluorene atvasinājumi kā potenciālie savienojumi termiski aktivizētām aizkavētas fluorescences un/vai fosforescējoši emiteri organiskās gaismas diodēm (OGD). Lai novērtētu struktūras un īpašības saistību, tika pētītas sintezēto savienojumu fotofizikālās, fotoelektriskās, termiskās, lādiņu transportēšanas un elektroķīmiskās īpašības. Elektronu donorkarbazola bloka modifikācija ar metoksi grupām ļāva, salīdzinot ar neaizvietoto karbazolu saturošiem savienojumiem iegūt savienojumus ar augstāku elektroķīmisko un termisko stabilitāti, augstākām stiklošanās temperatūrām un līdzsvarotākām lādiņa transportēšanas īpašībām. Sintezētie savienojumi uzrādīja relatīvi augstu termisko stabilitāti ar 5% svara zuduma temperatūru, kas pārsniedz 378 °C, un veidoja molekulārās stiklus ar augstu stiklošanās temperatūru robežās no120 līdz 148 °C. Cauruma un elektronu kustīgums, kas tika noteikts, izmantojot TOF tehniku, plānās kārtiņās pie lieliem elektriskiem laukiem, kas pārsniedza 3,6× 05 V cm-1 sasniedza 10-4 cm2V-1s-1.

Balstoties uz iegūtajiem rezultātiem par sintezētajiem TADF materiāliem, tika referēts divās konferencēs: a) 15. Eiropas konference par molekulāro elektroniku (ECME), kas notika Linköping, Zviedrijā 2019. gada 27. –31. augustā; b) 1. starptautiskais simpozijs par “Dyes & Pigments – Modern Colorants; The Synthesis and Applications of p-Systems”, kas notika Seviļā, Spānijā, 2019. gada 8. –11. septembrī.


Jaunumi par projektu

14.08.2019.

No 2019. gada 1. maija līdz 2019. gada 31. jūlijam, kā fosforescējošas un termiski aktivētas aizkavētas fluorescences (TADF) organiskās gaismas diodes (OLED) potenciālās saimniekvielas tika sintezēti donora/donora struktūras atvasinājumi. Lai novērtētu struktūras un īpašības saistības, tika pētītas sintezēto savienojumu termiskās, fotofizikālās, fotoelektriskās, lādiņu transportēšanas un elektroķīmiskās īpašības. Elektronu donora karbazola bloka modifikācija ar metoksi grupām, salīdzinot ar neaizvietoto karbazolu saturošiem savienojumiem, ļāva iegūt savienojumus ar augstāku elektroķīmisko un termisko stabilitāti, augstākām stiklošanās temperatūrām un līdzsvarotākām lādiņa transportēšanas īpašībām. Sintezēto savienojumu tripleta enerģijas bija robežās no 2,86 līdz 2,96 eV. Tie tika testēti kā saimniekvielas fosforescējošu un TADF emiteru OLED struktūrās, kuru maksimālā ārējā kvantu efektivitāte pārsniedza 12%. Par rezultātiem sagatavotā publikācija un iesniegta starptautiskajā žurnālā “Dyes and Pigments”. Rezultāti, kuru pamatā IR TADF atvasinājumi, tika iesniegti 15. Arī starptautiskajā konferencē par ORGANISKO elektroniku (ICOE2019), kas notika Beļģijā jaunajā Hasselt universitātes pilsētiņā no 24. jūnija līdz 2019. gada 28. jūnijam.

Darbs tiks turpināts, ar mērķi radīt jaunus TADF veida materiālus kuri ļautu iegūt OLED ar uzlabotu veiktspēju.


Jaunumi par projektu

21.05.2019.

Laika periodā no 2019. gada 1. februāra līdz 2019. gada 30. aprīlim tika sintezēti ļoti efektīvi termiski aktivētās aizkavētās fluorescences (TADF) izstarotāji, kuru pamatā ir 3 - un 4 - aizvietotie difenilsulfoni un dibenzotiofēna dioksīds kā elektronu akceptori un un di-tert-butildimetildihidroacridīns kā donors.

Stiklu veidojošie atvasinājumu stiklošanās temperatūru ir diapazonā no 92 līdz 131 °C. Savienojumiem piemīt arī augsta termiskā stabilitāte (termiskās noārdīšanās tiem sākas diapozonā no 367 °C līdz 416 °C. Cikliskās voltammetrijas mērījumi uzrādīja tuvas jonizēšanās potenciāla (5.18 – 5.23 eV) un elektronu afinitātes (3.46 – 3.73 eV) vērtības. Atvasinājumi uzrādīja bipolāro lādiņu transportu. Bis(4 - (2,7-di-terc-9,9-dimetil-9,10-dihidroakridīn-10-il) fenil) sulfona) slānim elektriskajā laukā 5 × 105 Vcm-1 tika reģistrēts elektronu kustīgums 3 × 10-5 cm2V-1s-1 un caurumu kustīgums 1,3 × 10-4 cm2V-1s-1.

Izmantojot šo TADF emitētāju, pagatavotā OLED ierīce uzrādīja augstu veiktspēju ar maksimālo strāvas efektivitāti, jaudas efektivitāti un ārējo kvantu efektivitāti attiecīgi 61,1 cd A-1, 64,0 lm W-1 un 24,1%.

Balstoties uz Iepriekš veiktajiem pētījumiem, kuru pamatā ir 3-sulfona TADF materiāli, tika publicēts raksts žurnālā Luminescence (2019, 206, 250).

Paredzēts darbu turpināt ar mērķi iegūt jaunus progresīvus termāli aktivizētus aizkavētas fluorescences materiālus organiskās gaismas diodēm ar uzlabotu veiktspēju.

Par TADF OLED un OLED materiālu pētniecības jomu tika nolasītas trīs lekcijas vidusskolēniem. Tās kalpoja kā lieliska platforma, lai izplatītu projekta ietvaros izstrādāto progresīvo tehnoloģiju. Ceram, ka šie vidusskolēni būs zinātnes vēstnieki plašākās sabiedrībā, tādējādi vairojot publiski finansēto zinātnisko pētījumu atpazīstamību un prestižu sabiedrībā.

Lietuvas Zinātņu akadēmijā 2019. gada 12. martā notika zinātnes popularizēšanas pasākums, kura mērķis bija sasniegt plašu sabiedrību un veicinātu pozitīvu izpratni par šo projektu. Šī pasākuma laikā ne speciālistu sabiedrībai tika parādīts, ka šie pētījumi ir efektīvs ceļš uz fundamentālās zinātnes sasniegumu (zemu izmaksu, videi nekaitīgu un efektīvu zilo TADF izstarotāju) pārnesei uz jauno tehnoloģiju (jaunas paaudzes apgaismojuma tehnoloģiju) izmantošanu.


Jaunumi par projektu

19.02.2019.

Laika posmā no 2018. gada 1. novembra līdz 2019. gada 31. janvārim tika veikta 3 - un 4-sulfona materiālu sintēze, attīrīšana un ķīmiskā raksturošana. Tika konstatēts, ka visi savienojumi spēj veidot amorfus organiskos stiklus. To stiklošanās temperatūra ir robežās no 82 ° līdz 91 °C, kā arī tiem ir augsta termālā stabilitāte (5% svara zuduma temperatūra augstāka par 385 °C). Sintezēto savienojumu fotofizikālās  īpašības tika pētītas, izmantojot absorbcijas, fluorescences un fosforescences metodes šķīdumā un cietos vielā.

Savienojumiem raksturīgs spēcīgs solvatohromismu, ko izraisa intramolekulārā lādiņa pārnešana ierosinātā stāvoklī. Tā izpaužas bathohromiskā emisijas maksimuma pārbīdē palielinot šķīdinātāju polaritāti. Savienojumi, kas satur akridīna un fenoksazīna fragmentus, uzrādīja relatīvi lielu fotoluminescences kvantu iznākumu cietajā stāvoklī (līdz 35%), pagarinātu aizkavētās fluorescences dzīves laiku  (µs diapazonā) un nelielu singleta - tripleta enerģijas līmeņu starpību (ΔEST), kuras dēļ visticamāk rodas  termiski aktivēta aizkavēta fluorescence.

Elektroķīmisko un lādiņu transportēšanas īpašību pētījumi. Fotoelektronu emisijas spektrometrijas aprēķinātās cietvielu jonizācijas enerģijas bija no 5,6 līdz 5,9 eV. Savienojumos ir labi līdzsvarots caurumu un elektronu mobilitāte, kura ir lielāka par 10-5 cm2/V · s (elektriskajā laukā, kas ir lielāks par 2,5 · 105 V/cm). Šie savienojumi tika testēti kā emitteri OLED ražošanai. Debeszilajās un zaļajās ierīcēs tika sasniegts maksimālais spilgtums 3200 un 12300 cd/m2.

Par rezultāti, kuru iegūti pētot 4-sulfona atvasinājumus, tika ziņots 9. starptautiskajā konferencē par molekulāro elektroniku (ElecMol9), kas notika Parīzē Sorbonas Universitātē Francijā no 2018. gada 17. decembra līdz 20. decembrim.


Jaunumi par projektu

16.08.2018.

Pamatojoties uz ierosināto stāvokļu teorētiskajiem aprēķiniem un pusvadītāju īpašībām, tika izstrādāts un sintezēts jauns 1,8-naftalimīda atvasinājums pievienojot 1-pirosila grupu C-4 pozīcijā kā elektronu donoru. Šim atvasinājumam raksturīga lieliska termiskā stabilitāte un bipolāra lādiņu vadītspēja. Tika konstatēts, ka tas spēj veidot stiklu (stiklošanās temperatūra 57 °C). Izveidotā savienojuma jonizācijas potenciāls gaisā ir 5,93 eV (mērījums veikts izmantojot elektronu fotoemisijas tehniku). Elektronu un caurumu mobilitāte 10-4 cm2V-1s-1 (pie elektriskā lauka 3,5 × 105 Vcm-1, kas labi saskaņojas ar teorētiskajiem datiem. Sintezētais savienojums tika veiksmīgi izmantots kā “host” lai radītu sarkanās fosforescējošās organiskās gaismu izstarojošās diodes (OLED), tam raksturīga spēja efektīvi pārnest enerģiju uz fosforescējošo emiteri. Atvasinājums var tikt izmantots kā viena no komponentēm (host)electroplex veidošanai radot  PhOLEDs. Vislabākā pagatavotā sarkanā gaismas diode uzrādīja maksimālo strāvu, jaudu un ārējo kvantu efektivitāti 10,8 cd A-1, 7 lm W-1 un 13,6%. Labākās ierīces spilgtums - 15 300 cd m-2. Tika novērots, ka pagatavoto sarkano gaismas diožu ierīču efektivitātes samazināšanas pie lieliem spilgtumiem ir zema, modelējot parādīts, ka tas saistīts ar deaktivizāciju caur triplet-polaron dzēšanas procesiem.

Par sasniegtajiem rezultātiem sagatavots un iesniegts raksts starptautiskā žurnālā.


Jaunumi par projektu

18.05.2018.

Tika sintezēti ar akridīnu, karbazolu, fenotiazīnu un fenoksazīna daļām modificēti difenilsulfoni un tie tika raksturoti izmantojot termisko analīzi, UV absorbcijas spektroskopiju, luminiscences spektroskopiju un ciklisko voltamperimetriju. Lai izskaidrotu sintezēto atvasinājumu fotofizikālās īpašības, tika veikti kvantu ķīmiskie aprēķini molekulārā līmenī. Tika noteikti molekulu strukturālie parametri, elektroniskās īpašības, HOMO-LUMO spraugas vērtība, molekulāro orbītāļu blīvums, jonizācijas potenciāls, reorganizācijas enerģija. Zemākās ierosmes enerģijas un absorbcijas maksimuma viļņu garumi tika aprēķināti, izmantojot laika atkarīgu blīvuma funkcionāļu teoriju. Tika konstatēts, ka visi savienojumi ir spējīgi veidot amorfu fāzi ar stiklošanos temperatūru no 82 līdz 91 °C. Sintezētajiem savienojumiem raksturīga augsta termiskā stabilitāte (tikai 5% svara zudumu pie temperatūras virs 385 °C). Savienojumiem raksturīgais spēcīgais solvatohromisms (batohhromā absorbcijas maksimuma pārbīde palielinot šķīdinātāja polaritāti), skaidrojams ar spēcīgu iekšmolekulāru lādiņu pārnesi ierosinātajā stāvoklī. Savienojumi, kas satur akridīna un fenoksazīna fragmentus neodopētā cietā stāvoklī, parādīja salīdzinoši augstu foto luminiscences kvantu iznākumu (līdz 35%), ilgu aizkavētās fluorescences dzīves laiku laiku (μs diapazonā) un nelielu singleta-tripleta stavokļu enerģijas starpību (ΔEST), kas raksturīgs termiski aktivētai aizkavētai fluorescencei. Šie savienojumi tika pārbaudīti kā izstarojošie hromofori organisko LED pagatavošanā. Ar zilo un zaļo OLED maksimālie spilgtumi bija 3200 un 12300 cd / m2, un maksimālā ārējā kvantu efektivitāte bija attiecīgi 6,3 un 6,9%.

Sagatavotais darbs tika iesniegts žurnālā.


Jaunumi par projektu

19.02.2018.

Phenanthroimidazola bāzes vinila monomēri tika iegūti, izmantojot vienkāršas trīs pakāpju procedūras. Tika pētītas to termiskās, fotofizikālās un elektroķīmiskās īpašības. Savienojumu šķīdumiem piemīt emisijas maksimumi robežās no 388 līdz 398 nm. Cietā stāvoklī šo molekulu emisija parāda sarkanu nobīdi, kas ir saskaņota ar līdzīgām absorbcijas spektra sarkanajām izmaiņām. Sagatavotais darbs tiks prezentēts 11-tajā starptautiskajā konferencē "Elektroniskie procesi organiskajos un neorganiskajos materiālos", 2018. g., 21.-25.maijā, Ivano-Frankivskā, Ukrainā. Konferences raksts tiks publicēts žurnālā “Molecular Crystals and Liquid Crystals”.

Sistemātiski pētot molekulas ar nedaudz atšķirīgu ģeometrisko struktūru starp donoru un akceptoru daļām, piemērotu sintēzes ceļu izstrādes laikietilpība tiks samazināta izvēloties tikai daudzsološākās struktūras.