Zespół badawczy kierowany przez Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) opracował „atrament supramolekularny” – nową technologię do stosowania w wyświetlaczach OLED (organiczne diody elektroluminescencyjne) i innych urządzeniach elektronicznych. Atrament supramolekularny, wykonany z niedrogich pierwiastków występujących powszechnie na Ziemi, zamiast kosztownych, rzadkich metali, mógłby umożliwić tworzenie tańszych i bardziej zrównoważonych pod względem środowiskowym płaskich ekranów i urządzeń elektronicznych.
„Zastępując metale szlachetne materiałami występującymi powszechnie na Ziemi, nasza technologia atramentów supramolekularnych może zmienić zasady gry w branży wyświetlaczy OLED” – powiedział główny badacz Peidong Yang, starszy pracownik naukowy w Wydziale Nauk o Materiałach w Berkeley Lab oraz profesor chemii i inżynierii materiałowej i inżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Jeszcze bardziej ekscytujące jest to, że technologia może rozszerzyć swój zasięg na organiczne folie do druku, wykorzystywane do produkcji urządzeń do noszenia, a także luminescencyjne dzieła sztuki i rzeźby” – dodał.
Jeśli masz stosunkowo nowy smartfon lub telewizor z płaskim ekranem, istnieje duża szansa, że jest on wyposażony w ekran OLED. Diody OLED szybko rozwijają się na rynku wyświetlaczy, ponieważ są lżejsze, cieńsze, zużywają mniej energii i zapewniają lepszą jakość obrazu niż inne technologie płaskich paneli. Dzieje się tak, ponieważ diody OLED zawierają maleńkie cząsteczki organiczne, które bezpośrednio emitują światło, eliminując potrzebę stosowania dodatkowej warstwy podświetlenia, którą można znaleźć w wyświetlaczu ciekłokrystalicznym (LCD). Jednakże diody OLED mogą zawierać rzadkie, drogie metale, takie jak iryd.
Jednak dzięki nowemu materiałowi – który zespół z Berkeley Lab opisał niedawno w nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science – producenci wyświetlaczy do elektroniki mogliby potencjalnie zastosować tańszy proces produkcyjny, który wymaga również znacznie mniej energii niż metody konwencjonalne.
Nowy materiał składa się z proszków zawierających hafn (Hf) i cyrkon (Zr), które można mieszać w roztworze w niskich temperaturach – od temperatury pokojowej do około 80 stopni Celsjusza – aby utworzyć „atrament” półprzewodnikowy. “
Drobne molekularne struktury „elementów budulcowych” w tuszu samoorganizują się w roztworze – proces, który naukowcy nazywają montażem supramolekularnym. „Nasze podejście można porównać do budowania z klocków LEGO” – powiedział Cheng Zhu, współpierwszy autor artykułu i doktorant. kandydat w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Te struktury supramolekularne umożliwiają materiałowi osiągnięcie stabilnej syntezy o wysokiej czystości w niskich temperaturach, wyjaśnił Zhu. Opracował materiał, pracując jako pracownik naukowy w Wydziale Nauk o Materiałach w Berkeley Lab oraz jako pracownik naukowy w grupie Peidong Yang w Berkeley Lab i UC Berkeley.
Eksperymenty spektroskopowe na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley wykazały, że supramolekularne kompozyty atramentu są wysoce wydajnymi emiterami światła niebieskiego i zielonego, co świadczy o potencjalnym zastosowaniu materiału jako energooszczędnego emitera OLED w wyświetlaczach elektronicznych i drukach 3D.
Późniejsze eksperymenty optyczne wykazały, że supramolekularne związki atramentu emitujące kolor niebieski i zielony wykazują, co naukowcy nazywają wydajnością kwantową bliską jedności. „To pokazuje ich wyjątkową zdolność do przekształcania prawie całego pochłoniętego światła w światło widzialne podczas procesu emisji” – wyjaśnił Zhu.
Aby zademonstrować zdolność dostrajania kolorów i luminescencję materiału jako emitera OLED, badacze stworzyli prototyp wyświetlacza cienkowarstwowego z atramentu kompozytowego. W ekscytującym wyniku odkryli, że materiał nadaje się na programowalne wyświetlacze elektroniczne.
„Film o alfabecie stanowi przekonujący przykład ilustrujący zastosowanie cienkich warstw emisyjnych, takich jak atrament supramolekularny, w tworzeniu szybko przełączających się wyświetlaczy” – powiedział Zhu.
Dodatkowe eksperymenty na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley wykazały, że atrament supramolekularny jest również kompatybilny z technologiami druku 3D, takimi jak projektowanie dekoracyjnego oświetlenia OLED.
Zhu dodał, że producenci mogliby również wykorzystać atrament supramolekularny do wytwarzania urządzeń do noszenia lub zaawansowanej technologicznie odzieży, która świeci dla bezpieczeństwa w warunkach słabego oświetlenia, lub urządzeń do noszenia, które wyświetlają informacje za pośrednictwem supramolekularnych struktur emitujących światło.
Atrament supramolekularny to kolejna demonstracja nowych, zrównoważonych materiałów, przeprowadzona w laboratorium Peidong Yang, która może umożliwić opłacalną i energooszczędną produkcję półprzewodników. W zeszłym roku Yang i jego zespół ogłosili nowy „atrament wieloelementowy” – pierwszy półprzewodnik o „wysokiej entropii”, który można przetwarzać w niskiej temperaturze lub temperaturze pokojowej.
Dzięki wykazanej stabilności i trwałości supramolekularne związki atramentu mogą również pomóc w komercyjnym rozwoju jonowych perowskitów halogenkowych, cienkowarstwowego materiału słonecznego, którego branża wyświetlaczy obserwuje od dziesięcioleci. Dzięki niskotemperaturowej syntezie w roztworze jonowe perowskity halogenkowe mogłyby potencjalnie umożliwić tańsze procesy produkcyjne do produkcji wyświetlaczy. Jednak wysokowydajne perowskity halogenkowe zawierają ołów, który ma znaczenie dla środowiska i zdrowia publicznego. Natomiast nowy atrament supramolekularny – należący do rodziny perowskitów halogenkowo-jonowych – oferuje formułę bezołowiową bez uszczerbku dla wydajności.
Teraz, gdy z powodzeniem zademonstrowali potencjał atramentu supramolekularnego w cienkich warstwach OLED i elektronice nadającej się do druku w 3D, naukowcy badają potencjał elektroluminescencyjny materiału. „Wiąże się to z ukierunkowanym i specjalistycznym badaniem, jak dobrze nasze materiały mogą emitować światło przy użyciu wzbudzenia elektrycznego” – powiedział Zhu. „Ten krok jest niezbędny do zrozumienia pełnego potencjału naszego materiału w zakresie tworzenia wydajnych urządzeń emitujących światło”.
Inni autorzy badania to Jianbo Jin (współautor pierwszy), Zhen Wang, Zhenpeng Xu, Maria C. Folgueras, Yuxin Jiang, Can B. Uzundal, Han KD Le, Feng Wang i Xiaoyu (Rayne) Zheng.
Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii.