Редактор ПостНауки Кристина Чернова в Рубке поговорила с химиком Валентиной Уточниковой о люминесценции, нетепловом свечении вещества.
— Давайте начнем с основ и попытаемся понять, как возникает люминесцентное свечение? И чем люминесценция отличается от обычного солнечного света?
— Ученые определили понятие люминесценции в середине XX века, огромный вклад в эту область внес советский ученый Сергей Вавилов. Определение люминесценции звучит так: нетепловое свечение вещества длительностью 10-10 секунды и больше. Такое достаточно короткое и емкое определение позволяет отсечь все свечение, которое не является люминесценцией, например тепловое свечение.
Мне нравится определять люминесценцию как фотоны, которые возникают за счет энергии, выделяющейся при возврате соединения из возбужденного состояния в основное. Это определение несовершенно, но из него следует способ получения люминофора. Нужно загнать соединения в возбужденное состояние, а затем дать им вернуться обратно, излучив при этом свет. Однако энергию можно потратить на множество процессов. Например, на выделение тепла, протекание химических реакций или на интеркомбинационную конверсию. Если снизить их вероятность и повысить вероятность излучательного возврата в основное состояние, мы будем наблюдать люминесценцию.
— Это возбужденное состояние можно получить разными способами. Существует хемилюминесценция, фотолюминесценция, электролюминесценция. Что еще?
— Люминесценции классифицируются в зависимости от того, каким способом мы возбуждаем соединения. Хемилюминесценция — возбуждение за счет химических реакций, фотолюминесценция — при поглощении света. Это самый распространенный способ люминесценции, с точки зрения ученых. Нет ничего проще, чем поместить свое вещество под ультрафиолетовую или синюю лампочку и посмотреть, наблюдается ли люминесценция. Электролюминесценция имеет очень важное практическое значение. Как следует из названия, это люминесценция, которая происходит за счет протекания электрического тока. В частности, органические и неорганические светоизлучающие диоды работают благодаря электролюминесценции. Также бывает бета-люминесценция и радиолюминесценция при радиоактивном распаде. Существует триболюминесценция, возникающая при трении.
Светодиоды
— Давайте остановимся на электролюминесценции. Ведь это очень важный тип люминесценции, благодаря которому наши зрители могут смотреть трансляцию. Как работает светодиод?
— Светодиод — это гамбургер. Главное в нем — котлета, то есть люминофор. Для превращения котлеты в гамбургер нам нужны две булки по краям — катод и анод. Так устроен простейший органический светодиод. Но такой светодиод вряд ли даст большую эффективность, поэтому в него вводят дополнительные слои. Как люди добавляют в гамбургер помидоры и салат, так в светодиод вводят дополнительные слои с дырочным транспортом, электронным транспортом, блокирующие слои. Такая процедура необходима для того, чтобы электроны и дырки — носители заряда, которые движутся в разных направлениях с катода и анода, — попали в эмиссионный слой и остались там. В результате электрон и дырка в эмиссионном слое, встречаясь друг с другом, производят экситон — возбужденное состояние. Таким образом молекулы люминофора попадают в возбужденное состояние.
То есть если при фотолюминесценции молекула попадает в возбужденное состояние, поглощая свет. В случае диода электрон приходит с одной стороны, дырка — с другой. В итоге они встречаются на одной молекуле, которая при этом переходит в возбужденное состояние, а потом люминесцирует, как ей положено.
— Чем различаются органические и неорганические светодиоды?
— Они различаются тем, на каких материалах сделаны. В этом смысл их названий. К органическим светодиодам относятся не только органические варианты, но и светодиоды, где люминесцируют металлоорганические и координационные соединения. По классификации координационные соединения относятся к неорганическим, но, исходя из механизма их люминесценции, светодиоды на их основе относятся к органическим светодиодам.
Разница с прикладной точки зрения достаточно большая. Она в первую очередь заключается в размере. Органические светодиоды могут быть гораздо меньше неорганических, поэтому именно на них сейчас делают лучшие дисплеи для смартфонов, планшетов и телевизоров.
Производить карманные источники света на базе неорганических светодиодов довольно удобно. Для получения источников белого света неорганические светодиоды прекрасны. Среди них наиболее распространен индий-галлиевый нитрид. Он демонстрирует люминесценцию синего цвета, и это самый высокоэнергетический свет в видимом диапазоне. Если покрыть нитрид слоем допированного церием иттрий-алюминиевого граната — люминофором, который поглощает синий свет и излучает желтый, — мы будем наблюдать квинтэссенцию электро- и фотолюминесценции. Иттрий-галлиевый нитрид при действии тока излучает синий свет. Он частично поглощается люминофором, который за счет поглощения демонстрирует фотолюминесценцию желтого света. Сложение синего и желтого свечения дает нам белый цвет. С этой задачей неорганические светодиоды справляются очень хорошо.
С дисплеями гораздо сложнее. Построенные на неорганических диодах дисплеи — это в основном огромные табло, на которых транслируют футбол. Вы смотрите на них издалека и не видите пикселей, которые на самом деле можно потрогать пальцем.
А если нас интересует телевизор, телефон или чип, который вы вставляете в контактную линзу, вам нужно очень высокое разрешение. И здесь, конечно, прекрасны органические светодиоды. Они допускают создание пикселей гораздо меньшего размера, да и технологии их создания совсем иные. Нанесение слоев, которые сейчас производятся из газовой фазы, постепенно стараются заменять растворным нанесением: это дешевле и практически не ограничивает размер, в отличие от газофазного нанесения, что позволяет увеличить разрешение. При печати из раствора пиксель можно сделать еще меньше. Сейчас это является критическим фактором.
Технология OLED
— Расскажите об основных направлениях исследований в области органических светодиодов.
— Органические светодиоды развиваются очень бурно в связи с их востребованностью в качестве основы создания дисплеев. Не так давно мы начинали заниматься изучением органических диодов и считали OLED-дисплеи технологией будущего. Сейчас это уже глубоко настоящее. Экраны мобильных телефонов на таких дисплеях никого не удивляют. Появляются и телевизоры, которые достаточно распространены, несмотря на высокую стоимость. OLED-технология уже не является такой экзотической, как некоторое время назад. Когда появился первый дисплей с таким названием, он не был строго выполнен по этой технологии, поэтому, когда научились делать настоящие дисплеи на органических диодах, им придумали другое коммерческое название — AMOLED (active matrix OLED), для того чтобы их не путали. Сегодня эта технология весьма распространена.
Задачи, которые ставят перед собой разработчики, заключаются не только в удешевлении производства, но и в повышении качества изображения. Например, если мы говорим про телевизоры и дисплеи, очень важным является снижение ширины полосы люминесценции для получения более чистого и насыщенного цвета, улучшения цветопередачи. Потому что OLED-дисплеи лучше, чем жидкокристаллические, на смену которым они пришли. Но и этого нам мало: мы хотим еще большей четкости.
Второе направление — создание осветительных приборов на основе OLED. Лампа OLED — это один гигантский пиксель, позволяющий создать рассеянный свет, который полезен для здоровья. Вы берете один большой анод, покрываете его слоями вспомогательных веществ, люминофора и так далее, сверху — катодом и имеете один огромный пиксель.
Растворные технологии очень нужны для производства однопиксельных ламп. Большую часть стоимости изготовления лампы составляет газофазное нанесение люминесцентных слоев. А в случае с растворной технологией все можно сделать очень быстро и очень дешево. Такие осветители уже существуют — лампочки с огромными поверхностями. В концептах существуют даже люминесцирующие обои, с помощью которых можно создать равномерно подсвеченное помещение. Цветовую температуру таких обоев можно задать самостоятельно и так, чтобы вам было комфортно.
Вы прочитали избранное из интервью химика Валентины Уточниковой, а посмотреть запись целиком можно здесь.
