Ученые из Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН синтезировали и исследовали новый класс люминесцентных органических радикалов на основе тритильной группы с тиофенсодержащими донорными фрагментами. Полученные соединения демонстрируют высокую фотостабильность, превышающую исходный незамещенный радикал более чем в тысячу раз, и эффективную люминесценцию в красной и ближней инфракрасной области. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C.
Органические светодиоды широко применяются в дисплеях смартфонов и телевизоров, однако их эффективность ограничена фундаментальным правилом спиновой статистики: только 25% образующихся при электрическом возбуждении состояний являются излучающими. Люминесцентные органические радикалы с неспаренным электроном позволяют обойти это ограничение и, в теории, — достичь 100% внутренней квантовой эффективность устройств. Наиболее изучены производные тритильного радикала (TTM), но их применение сдерживается низкой фотостабильностью — исходный TTM деградирует при облучении менее чем за две минуты.
В качестве решения ученые предложили модифицировать TTM тиофенсодержащими донорными фрагментами с различной степенью планарности и электрондонорным эффектом: линейным фенилтиофеном (TP), аннелированными бензотиофеном (BT) и дибензотиофеном (DBT). Для синтеза использовали монобром-замещенное исходное соединение, которое функционализировали реакциями кросс-сочетания с последующим окислением.
Показано, что при фотовозбуждении соединения излучают в красной и ближней инфракрасной области с максимумами от 680 до 805 нм, что достигается за счет эффективного электронного взаимодействия радикального и донорного фрагментов. Наибольший квантовый выход фотолюминесценции зафиксирован для TTM-DBT: до 12% в твердых матрицах благодаря ограничению внутримолекулярной подвижности и подавлению безызлучательных каналов релаксации.
Важнейший результат — значительное повышение фотостабильности: время жизни замещенных радикалов при облучении увеличилось более чем в 1000 раз по сравнению с исходным TTM. Квантово-химические расчеты показали, что введение донорных заместителей снижает спиновую плотность на атомах хлора, участвующих в реакции фотодеградации.
На основе TTM-DBT созданы экспериментальные образцы органических светодиодов методом термического вакуумного напыления. Устройства продемонстрировали электролюминесценцию в красной области с максимумом при 674 нм и спектральной шириной 0,22 эВ.
«Нам удалось создать молекулы, в которых тиофеновые донорные фрагменты позволяют настраивать длину волны излучения от глубокого красного до ближнего инфракрасного диапазона. Ключевым результатом стало понимание факторов, определяющих высокую фотостабильность: снижение спиновой плотности на реакционноспособных атомах хлора, уменьшение оптической щели и времени жизни возбужденного состояния. Это закладывает основу для целенаправленного дизайна высокостабильных органических люминофоров для оптоэлектроники», — прокомментировал руководитель проекта д.ф.-м.н. Паращук Дмитрий Юрьевич.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
