Органические светодиоды: принцип работы и материалы¶

Органические светодиоды (OLED, organic light-emitting diode) — полупроводниковые приборы, излучающие свет при протекании электрического тока через плёнку органических соединений. В отличие от неорганических светодиодов, где излучение создаётся в кристалле, здесь эмиссия происходит в тонком слое углеродсодержащих молекул или полимеров. Технология лежит в основе дисплеев смартфонов, телевизоров и осветительных панелей.

¶Принцип работы

Структура OLED представляет собой многослойную «сэндвич»-конструкцию между двумя электродами:

• Анод — прозрачный слой оксида индия-олова (ITO), пропускающий свет.
• Дырочно-транспортный слой — облегчает перенос положительных зарядов.
• Эмиссионный слой — собственно органический люминофор.
• Электронно-транспортный слой.
• Катод — металл с малой работой выхода (алюминий, кальций, магний).

При подаче напряжения катод инжектирует электроны, анод — дырки. Носители заряда дрейфуют навстречу друг другу и рекомбинируют в эмиссионном слое, образуя экситон — связанное состояние электрона и дырки. При распаде экситона выделяется энергия, которая возбуждает молекулу люминофора; возвращаясь в основное состояние, она испускает фотон. Цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны материала, то есть разностью энергий между высшей занятой и низшей свободной молекулярными орбиталями (HOMO и LUMO).

Различают флуоресцентную и фосфоресцентную эмиссию. В первом случае используются только синглетные экситоны (около 25 %), во втором — за счёт спин-орбитального взаимодействия в комплексах тяжёлых металлов удаётся задействовать и триплетные состояния, повышая внутреннюю квантовую эффективность теоретически до 100 %.

¶Материалы

Органические материалы для OLED делятся на две большие группы:

Для фосфоресцентных излучателей применяют комплексы иридия и платины. Транспортные слои выполняют из триариламинов (для дырок) и оксадиазолов (для электронов). Важную роль играют материалы-хозяева (host), в матрицу которых внедряют гостевые красители для переноса энергии.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относят:

• собственное свечение без подсветки, что даёт высокий контраст и глубокий чёрный;
• малую толщину и гибкость;
• широкий угол обзора;
• низкое энергопотребление при отображении тёмных сцен.

Ограничения связаны с меньшим сроком службы по сравнению с неорганическими светодиодами, чувствительностью к влаге и кислороду (требуется герметизация), а также с деградацией синих излучателей — наиболее уязвимого компонента.

¶Применение

Основная сфера — дисплеи: активные матрицы AMOLED в смартфонах, телевизоры, виртуальные и дополненные реальности. Гибкие подложки позволяют создавать складные экраны. Перспективны OLED-освещение (тонкие светящиеся панели) и микро-дисплеи для видоискателей. Технология продолжает развиваться в направлении повышения эффективности и долговечности, в том числе через тандемные структуры и новые эмиссионные материалы.