Учёные синтезировали новые соединения на основе олова, демонстрирующие рекордный для этого элемента квантовый выход (эффективность) фосфоресценции — вида свечения, при котором материал продолжает излучать в течение микросекунд после воздействия светом определенных длин волн. Когда комплекс олова находится в кристаллическом состоянии, квантовый выход фосфоресценции достигает 82%, а время жизни возбужденного состояния — скорость затухания свечения — 7,6 микросекунд, что сопоставимо с характеристиками дорогих иридиевых комплексов, которые применяют в современных OLED-дисплеях.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Frontiers.
Фосфоресценция — способность материала испускать свечение под действием излучения определённых длин волн — лежит в основе ярких и энергоэффективных экранов смартфонов и телевизоров, световых панелей и других устройств. До сих пор лучшими фосфоресцирующими материалами считались комплексы иридия, платины и других редких переходных металлов. Их дефицит и высокая стоимость подталкивают к поиску альтернатив. Ими могут стать олово, висмут и сурьма. Олово особенно интересно из-за склонности к красно-оранжевому свечению.
Однако стабильные при комнатной температуре и одновременно интенсивно излучающие молекулярные соединения олова встречались крайне редко: они склонны агрегировать (слипаться) в неизлучающие кластеры и чувствительны к влаге и кислороду.
Исследователи из Института металлоорганической химии имени Г.А. Разуваева
(Нижний Новгород), Нижегородского государственно университета имени Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород) и Северо-Западного университета (Китай) синтезировали серию из восьми новых оловоорганических комплексов с ярким оранжевым свечением. В четырёх из них центральным атомом служит олово, а «защитный каркас» из атомов азота и углерода различается; оставшиеся образцы представляют собой продукты окисления исходных комплексов.
Квантовый выход фосфоресценции лучших четырёх соединений составил 82%, при этом для большинства известных молекулярных комплексов олова этот показатель ранее не превышал 6,8%. Такая высокая «производительность» ставит новые молекулы на один уровень с коммерческими фосфоресцентными материалами на основе иридия, уже используемыми в дисплеях.
Прикладной потенциал новых комплексов олова также доказывает длительное послесвечение (время жизни) — 7,6 микросекунд, — близкое к длительности фосфоресценции комплексов иридия (1—10 микросекунд). Кроме того, учёные установили, что полученные соединения стабильны в широком температурном диапазоне.
Люминесценция сохраняется при температурах от -196°C до 127°C, что важно для использования материалов в устройствах, которые могут нагреваться в процессе работы. Так, температура поверхности процессоров и чипов может достигать 100°C.
«Мы показали, что соединения на основе низковалентного олова могут быть не только химически активными, но и выдающимися люминесцентными материалами. Это открывает путь к созданию энергоэффективных светодиодов и сенсоров нового поколения без использования редкоземельных или дорогих переходных металлов. В дальнейшем мы планируем создать прототип OLED-пикселя на основе полученных комплексов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Додонов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией функциональных металл-органических соединений Института металлоорганической химии имени Г.А. Разуваева
РАН.