Исследователи решили многолетнюю задачу в области органических полупроводников, открыв новые возможности для электроники будущего

Полупроводник, который они разработали, излучает циркулярно поляризованный свет. Внутренняя структура большинства неорганических полупроводников, таких как кремний, симметрична, что означает, что электроны движутся через них без какого-либо предпочтительного направления.
Однако в природе молекулы часто имеют хиральную (левостороннюю или правостороннюю) структуру: как и человеческие руки, хиральные молекулы являются зеркальными отражениями друг друга. Хиральность играет важную роль в биологических процессах, таких как образование ДНК, но это явление трудно использовать и контролировать в электронике.

Используя приемы молекулярного дизайна, вдохновленные природой, исследователи смогли создать хиральный полупроводник, подталкивая стеки полупроводниковых молекул к формированию упорядоченных правосторонних или левосторонних спиральных колонн.

Одним из многообещающих применений хиральных полупроводников является технология дисплеев. Современные дисплеи часто тратят значительное количество энергии из-за того, как экраны фильтруют свет. Хиральный полупроводник, разработанный исследователями, естественным образом излучает свет таким образом, что может уменьшить эти потери, делая экраны более яркими и энергоэффективными.

«Когда я начинал работать с органическими полупроводниками, многие сомневались в их потенциале, но теперь они доминируют в технологиях отображения», — сказал профессор сэр Ричард Френд из Кавендишской лаборатории в Кембридже, который был одним из руководителей исследования. «В отличие от жестких неорганических полупроводников, молекулярные материалы обладают невероятной гибкостью, что позволяет нам разрабатывать совершенно новые структуры, такие как хиральные светодиоды. Это похоже на работу с набором Lego со всеми формами, которые вы только можете себе представить, а не просто прямоугольными кубиками».

Полупроводник основан на материале под названием триазатрексен (ТАТ), который самоорганизуется в спиральную стопку, позволяя электронам двигаться по спирали вдоль его структуры, как резьба винта.

«При возбуждении синим или ультрафиолетовым светом самоорганизующийся ТАТ излучает яркий зеленый свет с сильной круговой поляризацией — эффект, которого до сих пор было трудно достичь в полупроводниках», — сказал соавтор исследования Марко Пройсс из Технологического университета Эйндховена. «Структура ТАТ позволяет электронам эффективно перемещаться, влияя на то, как излучается свет».

Модифицировав методы производства OLED, исследователи успешно внедрили TAT в работающие OLED с круговой поляризацией (CP-OLED). Эти устройства показали рекордную эффективность, яркость и уровень поляризации, что сделало их лучшими в своем роде.

«Мы, по сути, переработали стандартный рецепт создания органических светодиодов, как в наших смартфонах, что позволяет нам захватывать хиральную структуру внутри стабильной, некристаллизующейся матрицы», — сказал соавтор Ритупарно Чоудхури из Кавендишской лаборатории в Кембридже. «Это обеспечивает практический способ создания светодиодов с круговой поляризацией, что долгое время ускользало от этой области».

Работа является частью многолетнего сотрудничества между исследовательской группой Френда и группой профессора Берта Мейера из Технологического университета Эйндховена. «Это настоящий прорыв в создании хирального полупроводника», — сказал Мейер. «Тщательно разрабатывая молекулярную структуру, мы связали хиральность структуры с движением электронов, и это никогда раньше не делалось на таком уровне».

Хиральные полупроводники представляют собой шаг вперед в мире органических полупроводников, которые в настоящее время поддерживают отрасль стоимостью более 60 миллиардов долларов. Помимо дисплеев, эта разработка также имеет значение для квантовых вычислений и спинтроники — области исследований, которая использует спин или собственный угловой момент электронов для хранения и обработки информации, что потенциально может привести к созданию более быстрых и безопасных вычислительных систем.