Группа достигла прогресса, опубликованного в Nature, путем разработки нового способа манипулирования «экситонами» – парами электронов и дырок – которые являются ключевыми для переноса электронов в органических светодиодах. По сути, ток, проходящий через устройство, создает такие пары, и когда они переходят на более низкий уровень энергии, и при этом излучают видимый свет. Обычно экситоны в органических светодиодах возникают по двум схемам: спины либо одинаковые, либо противоположные, а экситоны с одинаковыми спинами – технически известные как триплетные экситоны – встречаются в три раза чаще. Однако синглеты, которые создаются вместе с триплетами, требуют больше энергии, и хотя они могут быть преобразованы в триплеты, это все же означает, что устройству в целом требуется энергия для их создания в первую очередь.
В текущей работе группа нашла способ понизить напряжение так, чтобы образовывались только триплеты. Работа началась с фундаментальных исследований, направленных на понимание фундаментальной физики, лежащей в основе создания экситонов, с использованием точных измерений электролюминесценции одиночных молекул с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в сочетании с оптической системой обнаружения. Они подготовили модельную систему на основе изолированной молекулы 3, 4, 9, 10-перилентетракарбоксилингидрида (PTCDA), органического полупроводника, адсорбированного на ультратонкой изолирующей пленке на металлической основе. Они использовали особую технику для придания молекуле отрицательного заряда.
Затем они использовали ток от СТМ (сканирующего туннельного микроскопа), чтобы вызвать люминесценцию в молекуле, и контролировали, какой тип экситона был создан, на основе спектра излучения. Измерения показали, что при низком напряжении образуются только триплеты. Теоретические расчеты Куниюки Мива и Майкла Гальперина из Калифорнийского университета в Сан-Диего подтвердили экспериментальные результаты и обосновали механизм.
«Мы считаем, – говорит Кенсуке Кимура из RIKEN Cluster for Pioneering Research, – что нам удалось это сделать благодаря ранее неизвестному механизму, при котором электроны избирательно удаляются из заряженной молекулы в зависимости от их спинового состояния."
«Было очень интересно открыть этот новый механизм, – говорит Юсу Ким, руководитель лаборатории изучения поверхностей и интерфейсов в RIKEN CPR. – Мы считаем, что эти открытия могут стать общим принципом работы для новых OLED-дисплеев с низким рабочим напряжением."
Работа была выполнена исследователями из RIKEN, Калифорнийского университета в Сан-Диего, Токийского университета и Института молекулярных наук.