ИИ ускорил поиск материалов для OLED-экранов: от синих пикселей до комплексов олова

Революция в развитии OLED-технологий

Машинное обучение продолжает привносить прорывы в электронику, позволяя учёным сократить годы лабораторных экспериментов до нескольких дней. На этот раз искусственный интеллект помог находить материалы для синих OLED-пикселей и альтернативные комплексы для дисплеев, решая ключевые проблемы этой технологии.

Проблема синих OLED-пикселей

Синие OLED-пиксели всегда были проблемой в производстве цветных дисплеев. Они работают с бóльшими энергиями возбуждений, чем красные и зелёные, что ограничивало эффективность и долговечность синих светодиодов на органических материалах. При обычной флуоресценции свет могут излучать только синглетные возбуждённые состояния, составляющие примерно 25% от всех образующихся экситонов в синем пикселе, остальные 75% приходятся на бесполезные для этого триплеты, что приводит к потере энергии в виде тепла.

Японские учёные нашли решение с помощью ИИ

Японские учёные из университетов Нагойи и Кюсю (Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) Nagoya University, Institute for Advanced Study Kyushu University) объединили машинное обучение с квантово-химическими расчётами, что привело к ускоренному обнаружению двух новых органических материалов для синих OLED-пикселей. Соединения Cz-PAH-1 и Cz-PAH-2 не содержат бора, отличаются узким спектром излучения и способны обеспечивать высокую эффективность преобразования электрической энергии в свет.

Вместо дорогих борных каркасов учёные использовали соединения углерода, водорода и азота. Они сформировали виртуальную библиотеку из более чем 19 тысяч молекул, выбрали случайным образом 1000 для квантово-химических расчётов и обучили ИИ. Модель самостоятельно оценила свыше 17 тысяч молекул с доступными трёхмерными структурами. Весь анализ массива из 19 тыс. молекул свёлся к расчётам 1050 кандидатов.

Результаты тестирования новых материалов

Оба материала показали узкополосное синее излучение с шириной спектра на половине максимума всего 17–19 нм, что соответствует высокой чистоте цвета. Квантовый выход фотолюминесценции в тонких плёнках достиг 93–99%. Пиксель OLED на Cz-PAH-1 приблизился по цветности к стандарту сверхвысокой чёткости Rec. 2020, а пиксель с Cz-PAH-2 продемонстрировал максимальную внешнюю квантовую эффективность 35,2% — более трети электрической энергии превратилось в свет.

Авторы считают, что созданный ими цикл поиска материалов — от генерации молекул на компьютере и ИИ-отбора до синтеза и испытания готового элемента — можно использовать для ускоренного поиска других органических материалов с огромным числом возможных структур. Это откроет путь к созданию более ярких, долговечных и энергоэффективных экранов для телевизоров, смартфонов и мониторов.

Российские химики создали альтернативу дорогим материалам

Исследователи из Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН (Нижний Новгород), Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского и Северо-Западного университета (Китай) синтезировали новые соединения на основе олова, демонстрирующие рекордный для этого элемента квантовый выход фосфоресценции — вида свечения, при котором материал продолжает излучать в течение микросекунд после воздействия светом определённых длин волн.

Когда комплекс олова находится в кристаллическом состоянии, квантовый выход фосфоресценции достигает 82%, а время жизни возбуждённого состояния — скорость затухания свечения — 7,6 микросекунд, что сопоставимо с характеристиками дорогих иридиевых комплексов, которые применяют в современных OLED-дисплеях. При этом для большинства известных молекулярных комплексов олова этот показатель ранее не превышал 6,8%.

Перспективы применения комплексов олова

Новые соединения стабильны в широком температурном диапазоне: люминесценция сохраняется при температурах от -196°C до 127°C, что важно для использования материалов в устройствах, которые могут нагреваться в процессе работы. Как отмечает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Додонов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИМХ РАН, соединения на основе низковалентного олова могут быть не только химически активными, но и выдающимися люминесцентными материалами.

В дальнейшем планируется создать прототип OLED-пикселя на основе полученных комплексов олова, что откроет путь к созданию энергоэффективных светодиодов и сенсоров нового поколения без использования редкоземельных или дорогих переходных металлов.