Полупроводники являются краеугольным камнем современных технологий и используются во всем, от мобильных телефонов и компьютеров до космических аппаратов и ускорителей элементарных частиц. Являясь жизненно важными для современных технологий, они существуют как органические, так и неорганические, в зависимости от материалов, из которых они изготовлены.
Неорганические полупроводники, изготовленные из неорганических материалов, таких как кремний и германий, более популярны, чем органические, в которых используется углерод. Популярность неорганических полупроводников в основном обусловлена их лучшими электрическими характеристиками и налаженными производственными линиями. Однако органические полупроводники чрезвычайно хороши для конкретных применений, где их уникальные свойства имеют большее значение, чем просто производительность, например, для гибких дисплеев (OLED) и некоторых типов сенсоров.
Исследователи изучили органические полупроводники, используя хиральность для новых применений. Хиральные молекулы химически одинаковы, но их расположение таково, что они являются зеркальным отражением друг друга, но не могут быть наложены друг на друга. Проще говоря, хиральность означает, что объект или молекула могут быть “левосторонними” или “правосторонними”. В полупроводниках хиральность может использоваться для управления направлением света при его излучении, также известном как поляризация. Это приложение особенно полезно для современных дисплеев, которые тратят много энергии на фильтрацию света после его создания. В результате проведенных исследований ученые создали полупроводники, которые скручивают свет, чтобы революционизировать дисплеи.
Так, ученые из Кембриджского университета и Технологического университета Эйндховена разработали полупроводник, который заставляет электроны двигаться по спирали, создавая искривленный свет. “В отличие от жестких неорганических полупроводников, молекулярные материалы обладают невероятной гибкостью, что позволяет нам создавать совершенно новые структуры, такие как хиральные светодиоды. Это похоже на работу с набором Lego, который может иметь любую форму, какую только можно себе представить, а не только с прямоугольными кирпичиками”, - сказал соавтор исследования профессор Дж. Сэр Ричард Френд из Кавендишской лаборатории в Кембридже, в пресс-релизе этого университета.
Исследователи создали материал под названием триазатруксен (ТАТ) со специальными боковыми цепочками, которые самостоятельно собираются в спиральные цепочки. Эти спиральные пакеты похожи на винтовую резьбу. Спиральные структуры действуют как направляющие для электронов, которые следуют за ними, и излучают свет с той же направленностью или поляризацией, что и молекулярная структура.
Исследователи внедрили TAT в стандартные технологии изготовления OLED-дисплеев в качестве "гостя" в материал "хозяина". При воздействии синего или ультрафиолетового света собранный TAT излучает ярко-зеленый свет с сильной круговой поляризацией. Это означает, что излучаемый зеленый свет вращается в том же направлении, что и спиральные структуры. Созданные таким образом OLED-устройства показали внешнюю квантовую эффективность до 16 %. Это означает, что 16 % электрической энергии, выходящей из устройства, преобразуется в свет. Кроме того, свет сохраняет сильную круговую поляризацию. Излучаемый свет был очень ярким, в 200 раз ярче, чем у обычного ЖК-экрана компьютера, и мог непрерывно работать более 100 часов, демонстрируя хорошую стабильность.
По оценкам кембриджских ученых, эта работа представляет собой важный шаг вперед в области органических полупроводников, производственная отрасль которых оценивается в более чем 60 миллиардов долларов. Помимо полупроводниковых дисплеев, исследование может найти применение в квантовых вычислениях и спинтронике - области исследований, которая использует спины электронов для обработки информации. “Это настоящий прорыв в создании хирального полупроводника. Путем тщательного проектирования молекулярной структуры, мы сочетаем ее с хиральностью структуры и движением электронов, чего никогда не было сделано на этом уровне прежде,” - сказал соавтор исследования, профессор Берт Мейер из университета Эйндховена, в пресс-релизе этого университета.
Результаты этого исследования опубликованы в журнале Science.