Физики МГУ усилили люминесценцию органических комплексов с европием

Физики и химики МГУ нашли способ усиливать и контролировать направление узкой линии люминесценции органических комплексов на основе европия с помощью нового класса фотонных наноструктур — плазмонных кристаллов. Исследование открывает перспективы для создания нового поколения энергоэффективных OLED-дисплеев с высокой чистотой цвета за счет применения плазмонных кристаллов, которые направляют и многократно усиливают узкополосное излучение редкоземельных комплексов. Результаты работы опубликованы в журнале Q1 The Journal of Physical Chemistry Letters. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Органические светодиоды (OLED) на сегодняшний день приобрели колоссальное значение при производстве дисплеев, компьютеров, телефонов и других устройств, требующих вывода информации на экран. OLED-технологии основаны на явлении электролюминесценции — возникновении свечения на определённых длинах волн при протекании электрического тока через слой люминофора. Несмотря на большие преимущества данной технологии в энергоэффективности, все еще существуют ряд проблем, которые необходимо решить для повышения функциональности таких устройств. Например, OLED-ячейки (пиксели) обладают низкой эффективностью вывода излучения, связанной с волноводными потерями. Часть света не может покинуть ячейку из-за эффекта полного внутреннего отражения. Помимо этого, актуальной задачей является повышение чистоты цвета за счет снижения ширины полосы испускания. 

Перспективным материалом в OLED-ячейках являются соединения редкоземельных металлов, таких как европий (Eu), тербий (Tb) и иттербий (Yb), с органическими лигандами. Они обладают высоким квантовым выходом и способны излучать в красном, зеленом и даже инфракрасном диапазоне. При этом спектральная ширина излучаемого света очень узкая и составляет около 10 нанометров, что повышает чистоту цвета. Однако данные соединения имеют долгое время жизни возбужденного состояния, достигающее 0.1-1 масс-спектрометрии, что существенно препятствует высокой эффективности излучения при внедрении их в OLED-ячейки.

Для преодоления проблем, связанных с волноводными потерями и большими временами жизни молекул, команды с физического факультета и факультета наук о материалах МГУ предложили использовать комбинацию излучающих редкоземельных молекул с поверхностными плазмон-поляритонами. Поверхностные плазмоны представляют собой один из видов поверхностных волн, в которых участвуют колебания свободных электронов в металле и электромагнитные волны. С помощью поверхностных плазмонов можно в значительной степени повысить концентрацию поля в субдлиноволновой области вблизи металлической поверхности. Органические комплексы на основе редкоземельных молекул способны взаимодействовать с этим полем, что существенным образом модифицирует их излучение.  

«В данном исследовании для возбуждения поверхностных плазмонов мы использовали специально изготовленные фотонные наноструктуры — плазмонные кристаллы. Они представляли собой периодически наноструктурированную алюминиевую поверхность. За счет подбора периодичности и глубины модуляции таких решеток были определены параметры, при которых поверхностные плазмоны возбуждаются на углах, близких к нормали поверхности, и на длине волны излучения европиевого органического комплекса, который в дальнейшем наносился на плазмонные кристаллы», — рассказал Александр Фролов, научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.

По словам Фролова, европиевый комплекс излучает красный цвет, поэтому может рассматриваться как альтернатива красному пикселю в OLED-дисплеях.

«После нанесения координационных соединений европия на изготовленные плазмонные кристаллы излучение фотолюминесценции претерпело ряд улучшений. Появлялась направленность излучения на углах, соответствующих возбуждению поверхностных плазмонов в плазмонных кристаллах. Эти углы лежали близко к нормали поверхности, что существенным образом позволило снизить волноводные потери в OLED-ячейках. Помимо направленности излучения европия мы обнаружили, что интенсивность фотолюминесценции усиливается в четыре раза за счет возбуждения поверхностных плазмонов», — объяснила Валентина Уточникова, профессор факультета наук о материалах МГУ.

Как отметила Уточникова, излучение, усиленное плазмонами, обладало почти в два раза меньшим временем жизни возбужденного состояния, что существенно для дальнейшего использовании данных комплексов в прикладных задачах.

«Таким образом комбинация плазмонных материалов с европиевыми органическими комплексами позволила улучшить основные характеристики их люминесценции. Во-первых, направить излучение фотолюминесценции под углы близкие к нормали, что позволит избежать волноводные потери. Во-вторых, многократно усилить интенсивность излучения фотолюминесценции», — пояснил Александр Фролов, научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ.

По его словам, возбуждение плазмонов позволило существенно сократить время затухания фотолюминесценции

«Все это открывает перспективы для разработки таких плазмонно-излучающих ячеек на основе редкоземельных элементов, которые могут заменить существующие OLED-дисплеи», — резюмировал Андрей Федянин, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ. 

Работа была выполнена сотрудниками физического факультета и факультета наук о материалах МГУ в рамках Междисциплинарной научно- образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина», 2024-2026 годов. Часть работ также осуществлялась за счет гранта РНФ 24-72-00042.

Следите за важными новостями в Телеграм-канале Информационного центра Правительства Москвы