Маленькие молекулы, гигантский потенциал

Обсудить на форуме - Помощь проекту

Исследователи надеются использовать подход для создания управляемых электрических полей, которые помогут повысить эффективность органических светоизлучающих диодов, используемых в дисплеях и освещении, и откроют новые пути для реализации устройств, преобразующих вибрации в электричество с помощью органических материалов.

Основываясь на фантастической химической универсальности углерода, которая делает возможными живые организмы, органическая электроника уже привела к созданию ярких и даже гибких экранов смартфонов и телевизоров, а на горизонте появились приложения для солнечных батарей, лазеров и схем.

Эта гибкость частично обусловлена ​​неупорядоченным характером тонких пленок материалов, используемых в устройствах. В отличие от обычной неорганической электроники, основанной на атомах кремния, тесно связанных в жесткие, хорошо организованные кристаллы, органика обычно образует «аморфные» слои, организованные далеко не так четко.

Несмотря на кажущуюся случайной организацию молекул, исследователи обнаружили, что некоторые из них на самом деле имеют тенденцию выстраиваться в одинаковых направлениях, сильно влияя на свойства устройства и создавая новые возможности для управления производительностью устройства.

«Значительная работа уже проделана над молекулами, которые выстраиваются таким образом, что излучаемый ими свет может легче выйти из устройства», — говорит Масаки Танака, доцент Токийского университета сельского хозяйства и технологий (TUAT), который начал настоящую работу в то время. в Центре исследований органической фотоники и электроники Университета Кюсю (OPERA) и продолжил дальнейшее изучение молекулярного выравнивания в аморфных пленках после его перевода в TUAT. «Однако было известно, что другие молекулы выравниваются таким образом, что больше их электронов размещается на одной стороне слоя, что приводит к так называемому поверхностному потенциалу, сопровождаемому электрическим полем. Это поле может помочь зарядам перемещаться в или из устройство, чтобы сделать его более эффективным или открыть новые электрические свойства, но найти способы контролировать формирование поля было проблемой».

Пленки, используемые в органической электронике, обычно имеют толщину всего в несколько десятков нанометров — часть толщины человеческого волоса — и часто постепенно наращиваются путем нагревания органического порошка в вакууме, так что он сразу переходит из твердого состояния в газообразное, процесс, известный как сублимация. Когда молекулы сублимированного порошка достигают прохладной поверхности, они прилипают, образуя слой.

«В газовой фазе молекулы случайным образом вращаются и сталкиваются друг с другом, поэтому они, вероятно, осаждаются на пленке в случайном направлении», — объясняет Морган Оффрей, который синтезировал молекулы. «Однако мы обнаружили, что определенные молекулярные единицы с атомами фтора будут в основном отталкиваться от поверхности осаждения. Включив эти единицы в молекулу, мы можем получить осажденные молекулы примерно выровненными, с фторированными единицами, обращенными наружу».

Затем исследователи прикрепили детали, которые толкают и притягивают отрицательно заряженные электроны к фторированному элементу или от него. Этот дисбаланс зарядов на выровненных молекулах на поверхности приводит к так называемому поверхностному потенциалу и результирующему электрическому полю.

«Поскольку осажденные молекулы и связанные с ними электрические поля имеют одинаковое направление, отдельные крошечные поля складываются, создавая гораздо большее общее поле», — говорит Танака. «Мы не только можем получить относительно большее поле, но мы можем заставить его указывать на поверхность, о чем до сих пор редко сообщалось».

Эти слои дают гигантский поверхностный потенциал около 10 В, что особенно впечатляет, если учесть, что он был спонтанно создан пленкой толщиной всего 100 нм.

Такое большое напряжение при такой малой толщине создает сильное электрическое поле, которое может способствовать получению положительных и отрицательных зарядов в различных слоях таких устройств, как OLED, тем самым повышая общую эффективность преобразования энергии.

Кроме того, эти управляемые встроенные электрические конструкции могут помочь в создании новых устройств. Исследователи уже продемонстрировали, что слои можно использовать в устройстве нового типа, преобразующем вибрации в электричество, но предстоит еще много работы, чтобы сделать такие устройства практичными, пишет ScienceDaily.

«Наука продолжает показывать нам новые способы управления электрическими процессами во все меньшем и меньшем масштабе путем объединения атомов в органические молекулы», — говорит Чихая Адачи, директор OPERA. «Это исследование дополняет наш набор инструментов, который позволит создавать новые устройства по мере его дальнейшего роста».