فناوری جدید: فسفرسانس سریع‌تر برای صفحه‌نمایش بهتر

توسعه ماده جدید OLED برای نمایشگرها

یک تیم بین‌المللی، به رهبری مهندسان دانشگاه میشیگان، موفق به توسعه نوع جدیدی از مواد OLED ارگانیک شده‌اند که می‌تواند برای تلویزیون‌ها، گوشی‌های هوشمند و دیگر نمایشگرها مورد استفاده قرار گیرد. این ماده در عین حفظ رنگ و کنتراست تیز، به جای فلزات سنگین، از یک ماده هیبریدی جدید استفاده می‌کند. جالب اینجاست که به نظر می‌رسد این ماده یک قانون کوانتومی را نیز نقض کرده است.

در حال حاضر، دستگاه‌های OLED موجود در بازار شامل اجزای فلز سنگینی مانند ایریدیم و پلاتین هستند که کارایی، روشنایی و دامنه رنگ نمایشگر را بهبود می‌بخشند. اما این مواد معایبی نیز دارند؛ از جمله هزینه‌های بسیار بالا، عمر کوتاه‌تر دستگاه و افزایش خطرات بهداشتی و زیست‌محیطی. در OLEDها، انتشار نور از طریق فسفرسانس که انرژی کمتری مصرف می‌کند، به فسفرسانس ترجیح داده می‌شود، اما فسفرسانس به طور طبیعی کندتر است و بدون وجود فلز سنگین، ممکن است چند میلی‌ثانیه یا بیشتر طول بکشد.

برای حفظ سرعت نمایشگرهای مدرن که با 120 فریم در ثانیه کار می‌کنند، لازم است که فسفرسانس در میکروثانیه‌ها اتفاق بیفتد تا از ایجاد تصویر “شبحی” جلوگیری شود. این یکی از نقش‌های کلیدی فلزات سنگین است. جینسانگ کیم، استاد علم و مهندسی مواد در دانشگاه میشیگان و نویسنده همکار این مطالعه که در نشریه Nature Communications منتشر شده است، گفت: “ما راهی پیدا کردیم تا یک مولکول ارگانیک فسفرسانس تولید کنیم که می‌تواند در مقیاس میکروثانیه نور ساطع کند، بدون اینکه فلزات سنگین در ساختار مولکولی گنجانده شوند.”

دو نویسنده همکار دیگر این تحقیق، دونگ هیوک پارک، استاد علم و مهندسی شیمی و بیومدیکال در دانشگاه اینها و سانکوک کیم، استاد علم و مهندسی مواد پیشرفته در دانشگاه سونگکیونکوان در جمهوری کره هستند.

تفاوت سرعت بین فسفرسانس و فسفرسانس به آنچه پس از ورود الکترون‌ها از جریان الکتریکی به سطح انرژی بالاتر در اوربیتال‌های الکترون مولکول اتفاق می‌افتد، مربوط می‌شود. این حالت به عنوان حالت برانگیخته شناخته می‌شود، شبیه به پریدن به یک پله از نردبان. در فسفرسانس، الکترون‌ها می‌توانند بلافاصله انرژی را به صورت نور آزاد کنند و به حالت پایه برگردند. اما در فسفرسانس، ابتدا باید یک تبدیل انجام شود. این تبدیل به چرخش الکترون مربوط می‌شود. هر الکترون در حالت پایه خود یک شریک دارد و یک قانون مکانیک کوانتومی به نام اصل طرد پائولی ایجاب می‌کند که آنها در جهت‌های مخالف بچرخند. اما وقتی یک الکترون به آن پله بالاتر می‌رسد، می‌تواند در هر جهتی بچرخد زیرا هر الکترون اکنون تنها در اوربیتال خود است. این الکترون تنها یک چهارم زمان در جهت مخالف شریک خود باقی می‌ماند و این همان حالتی است که منجر به فسفرسانس می‌شود.

فلوئورسانس و کارایی بالای آن

فلوئورسانس سه برابر کارآمدتر است زیرا از ۷۵ درصد دیگر الکترون‌های برانگیخته نیز بهره می‌برد، اما برای بازگشت به حالت پایه نیاز دارد که الکترون چرخش خود را تغییر دهد. در مواد فلوئورسانس متداول، هسته بزرگ اتمی فلز سنگین یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود الکترون‌های برانگیخته با چرخش مشابه به سرعت بچرخند و این امر منجر به انتشار سریع‌تر نور هنگام بازگشت به حالت پایه می‌شود.

ساختار جدید و مزایای آن

مواد جدید یک لایه دوبعدی از مولیبدن و گوگرد را در نزدیکی یک لایه نازک مشابه از ماده‌ی تولیدکننده نور ارگانیک قرار می‌دهند و با نزدیکی فیزیکی بدون هیچ نوع پیوند شیمیایی، همان اثر را به دست می‌آورند. این ساختار ترکیبی باعث افزایش سرعت انتشار نور به میزان ۱۰۰۰ برابر شده است که برای نمایشگرهای مدرن کافی است. انتشار نور به طور کامل در داخل ماده ارگانیک اتفاق می‌افتد و این امر به دلیل عدم وجود پیوندهای ضعیف فلز-ارگانیک، به دوام بیشتر ماده کمک می‌کند.

چالش‌ها و امیدها

فلوئورسانس OLEDهایی که به فلزات سنگین وابسته هستند، همچنین از این فلزات برای تولید رنگ استفاده می‌کنند. پیوندهای شیمیایی ضعیف بین فلز و ماده ارگانیک ممکن است زمانی که دو الکترون برانگیخته با هم تماس پیدا می‌کنند، شکسته شوند و منجر به کمرنگ شدن پیکسل شوند. سوختن پیکسل یک مشکل خاص برای نور آبی با انرژی بالا است که هنوز حل نشده است، اما تیم تحقیقاتی امیدوار است که رویکرد طراحی جدیدشان بتواند به سمت پیکسل‌های فلوئورسانس آبی پایدار کمک کند. OLEDهای کنونی از پیکسل‌های فلوئورسانس قرمز و سبز و پیکسل‌های فلوئورسانس آبی استفاده می‌کنند و از سوختن پیکسل آبی جلوگیری می‌کنند، اما این کار به قیمت کاهش کارایی انرژی تمام می‌شود.

تحقیقات و نتایج جالب

علاوه بر کاربردهای بالقوه، تحلیل این سیستم ترکیبی مولکولی چیزی را اندازه‌گیری کرد که قبلاً غیرممکن به نظر می‌رسید — الکترون‌های جفت شده که یک اوربیتال را به اشتراک می‌گذارند. به نظر می‌رسید که تحت شرایط تاریک دارای چرخش ترکیبی هستند، که نشان‌دهنده یک حالت ‘سه‌گانه’ ممنوعه است در حالی که چرخش‌های آن‌ها باید یکدیگر را خنثی کنند. کیم گفت: “ما هنوز به طور کامل نمی‌دانیم چه چیزی باعث ایجاد این ویژگی سه‌گانه در حالت پایه می‌شود زیرا این امر اصل طرد پائولی را نقض می‌کند. این مسئله بسیار غیرممکن است، اما با نگاه به داده‌های اندازه‌گیری، بله، به نظر می‌رسد که این چنین است.” او افزود: “به همین دلیل است که سوالات زیادی درباره اینکه واقعاً چه چیزی باعث این اتفاق می‌شود، داریم.”

آینده تحقیق و همکاری‌ها

تیم تحقیقاتی به بررسی چگونگی دستیابی ماده به حالت‌های پایه با ویژگی سه‌گانه ادامه خواهد داد و همچنین به دنبال کاربردهای احتمالی در دستگاه‌های اسپین‌ترونیک است. این تیم با کمک شراکت‌های نوآوری U-M برای حفاظت از اختراع درخواست داده و به دنبال شرکایی برای ایجاد دستگاه‌هایی با استفاده از این نوع ماده جدید است. این کار با حمایت بنیاد ملی تحقیقات کره که توسط دولت کره و همچنین کمک START از دانشکده مهندسی U-M تأمین مالی شده است، انجام شده است. همکارانی از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و دانشگاه دونگ‌گوک در این مطالعه مشارکت داشته‌اند. جینسانگ کیم همچنین مدیر برنامه‌های تحصیلی در علم و مهندسی ماکرومولکول و استاد شیمی است.