Российско-итальянская группа ученых представила новые металл-органические соединения, обладающие сине-зеленым свечением. Его характеристиками можно управлять, варьируя в таких комплексах атом металла, с которым связаны органические молекулы, или лиганды. Такое «соседство» лиганда и металла позволило авторам повысить интенсивность свечения соединений почти в 40 раз в сравнении с исходной органической молекулой. Данная технология позволит разработать новое поколение органических светодиодов белого цвета свечения, имеющих существенно более низкую стоимость, чем известные на данный момент устройства. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.

Рисунок 1. Люминесценция координационных соединений лантаноидов под действием УФ-излучения. Источник: Илья Тайдаков.

Белые органические светодиоды считаются наиболее экономичными источниками света, используемыми для уличного, бытового и дисплейного освещения. В таких устройствах белый свет формируется за счет нескольких люминофоров, излучающих в синей, зеленой и красной спектральных областях. В основе одного из наиболее популярных классов материалов для органических светодиодов лежат комплексы сложных органических молекул с металлами платиновой группы. Такие излучатели высокоэффективны, но очень дороги в производстве, а потому использовать массово их может быть невыгодно, особенно учитывая непрерывный рост цен на платиновые металлы.

В своей новой работе исследователи из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва) вместе с российскими и итальянскими коллегами создали люминофоры на основе гетероциклических β-дикетонов – органических молекул, в которых две карбонильные кислород-содержащие группы разделены одним атомом углерода (метиленовой группой), и также имеются циклические фрагменты, содержащие атомы углерода и азота. Такие соединения легко образуют люминесцирующие комплексы с рядом металлов.

Интерес к таким молекулам обусловлен тем, что характеристиками их излучения, например, яркостью и цветом, можно легко управлять, внося небольшие изменения в структуру молекулы

Однако такие β-дикетоны имеют крайне низкую эффективность люминесценции, поскольку преобразуют в свет всего 0,5 % поступающей на них световой или электрической энергии. Остаток рассеивается в виде тепла. Улучшить люминесцентные характеристики таких молекул можно, соединив их в комплекс с металлами. В зависимости от типа металла особым образом может меняться энергетическая структура β-дикетонов и даже тип люминесценции.

Рисунок 2. Измерение люминесценции синтезированных соединений. Источник: Илья Тайдаков.

Авторы предложили две серии новых комплексных соединений металлов с β-дикетонами. Первая включала металлы третьей группы таблицы Менделеева (скандий, лантан, гадолиний и лютеций), а вторая – тринадцатой группы (алюминий, галлий и индий). Объединив β-дикетоны с этими элементами в комплексы, ученые смогли управлять возбужденным состоянием органических молекул, а именно варьировать значения энергий возбужденных состояний таких молекул и их время жизни. Кроме того, экспериментально было показано, что все полученные комплексы обладали сине-зеленым свечением, а эффективность люминесценции для соединений на основе β-дикетонов с лантаном достигла 19,5 %, то есть стала почти в 40 раз больше, чем у исходной органической молекулы, не связанной с металлом.

«Наши комплексы имеют высокий потенциал в качестве светоизлучающего слоя для создания новых белых органических светодиодов. Достаточная яркость их люминесценции и низкая стоимость синтеза позволяют надеяться, что подобные материалы можно будет использовать в прототипах светодиодных источников света. В наших ближайших планах – начать лабораторное тестирование таких образцов», – рассказывает руководитель проекта, поддержанного РНФ, Илья Тайдаков, доктор химических наук, руководитель лаборатории　«Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» Отдела спектроскопии ФИАН.

Рисунок 3. Люминесцентные координационные соединения. Источник: Илья Тайдаков.

В работе также приняли участие исследователи из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва), Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН (Москва), Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) и Университета города Камерино (Италия).

Источник: Российский научный фонд.