Оптимизация мягких материалов для оптоэлектроники посредством конструирования их структуры на молекулярном уровне

Молекулы, применяемые для изготовления оптоэлектронных устройств, могут «конструироваться» для того, чтобы сбалансировать необходимым образом внутренние химические взаимодействия и оптимизировать свойства молекул для конкретных областей применения — так считают авторы обзорной статьи, опубликованной в журнале Science and Technology of Advanced Materials. В статье авторы из японского Национального института материаловедения (NIMS) предлагают стратегии конструирования молекул, которые могут обеспечить прогресс в производстве ряда приборов.

Оптоэлектронные приборы преобразуют электрический ток в свет или наоборот — свет в электрический ток и интегрируются в расширяющийся ряд изделий электроники. Например, многие дисплеи телевизоров и мобильных устройств изготавливаются на основе органических светоизлучающих диодов (OLEDs). Оптоэлектронные устройства также являются основой устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, в оборудовании волоконно-оптической связи и в некоторых электронных чипах.

Многие материалы, которые используются для изготовления оптоэлектронных устройств, состоят из rr-сопряженных молекул (с rr-связями), то есть химические связи молекул носят комплексный характер, поскольку многие электроны являются общими для многих атомов. Подобные связи становятся причиной одновременного наличия электрических и оптических свойств у материала, что оптимально для оптоэлектроники, но при этом существуют и определенные ограничения. Так, при комнатной температуре большинство данных материалов являются твердыми, а значит, и непригодными для изготовления гибких приборов. Более того, молекулы с rr-связями трудно растворимы, и их очень сложно использовать в технологическом процессе печати.

Однако эти свойства могут быть изменены благодаря алкильным цепям для связи молекул с rr-связями (алкильные цепи имеют скелет из атомов углерода, который может иметь разную длину и различные структуры ответвлений). Ученые полностью поняли, каким образом алкильные цепи влияют на свойства молекул с rr-связями, а Фенгню Лу (Fengniu Lu) и Такаси Наканиши (Takasi Nakanishi) из NIMS проанализировали результаты ряда известных исследований для определения фундаментальных закономерностей процесса. После 2005 года д-р Наканиши изобрел способ управления самосборкой линейных алкильных цепей, таких как алкилированные фуллерены, в молекулы с rr-связями. Кроме того, недавно он разработал захватывающий воображение метод создания люминесцентных (жидких при комнатной температуре) молекул с rr-связями, свертывая rr-компоненты с несколькими разветвленными алкильными цепями.

Для того чтобы оценить последствия присоединения алкильных цепей, ученые из NIMS критически проанализировали исследования, посвященные изучению свойств молекул с rr-связями, модифицированных введением специфических алкильных цепей. В некоторых исследованиях было показано, что различные типы алкильных цепей, поляризация растворителя, температура и взаимодействия «цепочка-подложка» определяют условия сборки rr-молекул в различные двух- и трехмерные структуры. В других исследованиях было показано, что алкильные цепочки с определенными структурами дают возможность формирования жидких «термооптических» кристаллических материалов, которые обладают промежуточными свойствами между cвойствами твердых и жидких материалов, а также позволяют формировать материалы, при комнатной температуре представляющие собой изотропические жидкости, из которых возможно формирование жидких кристаллов или гелей, обладающих свойством фотопроводимости. В своей обзорной статье авторы называют эту стратегию «конструирование алкиль-rr».

В заключение авторы отмечают, что изменения свойств алкилированных rr-молекул зависят от точного баланса взаимодействий между блоками с rr-связями, а также от статических взаимодействий между алкильными цепями (известными как силы Ван-дер-Ваальса). Различные алкильные цепи влияют на равновесие этих взаимодействий, что приводит к формированию различных структур с разными свойствами. Такая точка зрения дает возможность исследователям целенаправленно создавать молекулы с rr-связями, которые будут иметь заданные свойства, что позволит сделать процесс изготовления оптоэлектронных приборов более эффективным.