Wagon-wheel pastavorm voor betere LED: 'Rotelle'-moleculen depolariseren licht efficiënter dan' spaghetti '

Wagon-wheel pastavorm voor betere LED: 'Rotelle'-moleculen depolariseren licht efficiënter dan' spaghetti '

Anonim

door University of Utah

Een probleem bij het ontwikkelen van efficiëntere organische LED-lampen en beeldschermen voor tv's en telefoons is dat veel van het licht in één richting gepolariseerd is en dus gevangen zit in de lichtdiode of LED. Natuurkundigen van de Universiteit van Utah geloven dat ze het probleem hebben opgelost door een nieuw organisch molecuul te maken dat de vorm heeft van rotelle - pasta met wagenwiel - in plaats van spaghetti.

Het rotelle-vormige molecuul - bekend als een "pi-geconjugeerde spaakwiel macrocycle" - werkt het tegenovergestelde van polariserende zonnebrillen, die verblinding weerkaatst door water en andere oppervlakken en alleen direct zonlicht in de ogen laten komen.

De nieuwe studie toonde aan dat wagenwielmoleculen willekeurig licht in alle richtingen uitzenden - een noodzakelijke functie voor een efficiëntere OLED of organische LED. Bestaande OLED's nu in sommige smartphones en tv's gebruiken spaghetti-vormige polymeren - ketens van zich herhalende moleculaire eenheden - die alleen gepolariseerd licht uitzenden.

"Dit werk laat zien dat het mogelijk is om de polarisatie van het licht van OLED's door elkaar te gooien en schermen te bouwen waar licht niet vast komt te zitten in de OLED", zegt John Lupton, fysicus van de University of Utah, hoofdauteur van een onderzoek naar het spaakwiel- gevormde moleculen online gepubliceerd zondag 29 september in het tijdschrift Nature Chemistry .

"We hebben een molecuul gemaakt dat perfect symmetrisch is, en dat maakt het licht dat het genereert volkomen willekeurig, " voegt hij eraan toe. "Het kan efficiënter licht genereren omdat het de polarisatie verstoort. Dat is veelbelovend voor toekomstige OLED's die minder elektriciteit zouden gebruiken en dus de levensduur van de batterij voor telefoons zouden verlengen, en voor OLED-lampen die efficiënter en goedkoper te bedienen zijn."

Lupton benadrukt dat de studie basale wetenschap is en dat nieuwe OLED's op basis van rotelle-vormige moleculen "een heel eind op weg zijn".

Hij zegt dat OLED's nu worden gebruikt in smartphones, met name de Samsung Galaxy-serie; in dure nieuwe superdunne tv's die worden geïntroduceerd door Sony, Samsung, LG en anderen; en in verlichting.

"OLED's in smartphones hebben aangeslagen omdat ze iets efficiënter zijn dan conventionele LCD-schermen zoals die in de iPhone worden gebruikt", zegt hij. "Dat betekent een langere levensduur van de batterij. Samsung heeft al flexibele OLED-schermen in kleur laten zien voor toekomstige smartphones." Lupton zegt dat smartphones efficiënter licht kunnen produceren met behulp van moleculen die niet zoveel licht vangen.

De grote, ringvormige moleculen kunnen ook andere moleculen "vangen" en zouden dus effectieve biologische sensoren maken; ze hebben ook potentieel gebruik in zonnecellen en schakelaars, voegt hij eraan toe.

De studie werd gefinancierd door de Volkswagen Foundation, het Duitse Chemical Industry Fund, de David and Lucille Packard Foundation en de European Research Council.

Lupton is onderzoekshoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Utah en ook aan de faculteit van de Universiteit van Regensburg, Duitsland. Hij voerde de studie uit met afgestudeerde student natuurkunde Alexander Thiessen, Utah; Sigurd Höger, Vikas Aggarwal, Alissa Idelson, Daniel Kalle en Stefan-S. Jester van de Universiteit van Bonn; en Dominik Würsch, Thomas Stangl, Florian Steiner en Jan Vogelsang van de Universiteit van Regensburg.

Opgesloten licht bevrijden

Terwijl conventionele LED's silicium halfgeleiders gebruiken, zijn OLED's in sommige van de nieuwste mobiele telefoons en tv's gemaakt met "pi-geconjugeerde polymeren", die plasticachtige, organische halfgeleiders zijn gemaakt van een keten van zich herhalende moleculaire eenheden.

"Geconjugeerde polymeren zijn een vreselijke puinhoop", zegt Lupton. "Ze maken nu alleen middelmatige OLED's, hoewel mensen graag het tegenovergestelde beweren."

Ten eerste bevindt driekwart van de lichtenergie zich in een toestand die normaal niet toegankelijk is - een probleem dat wordt aangepakt door een andere recente studie van OLED's aan de University of Utah. Lupton zegt dat zijn studie een ander probleem behandelt, dat zelfs bestaat als het andere probleem wordt opgelost: de polarisatie van licht in pi-geconjugeerde polymeren die leidt tot het "vangen" of verlies van tot 80 procent van het gegenereerde licht.

"Licht is een oscillerend veld als een golf en een golf beweegt in een bepaalde richting", zegt Lupton. "We noemen deze richting van oscillatie een polarisatie."

Omdat polymeren lange moleculen zijn zoals spaghetti, "kunnen de elektronen, wanneer een elektrische stroom op een polymeer wordt aangelegd, slechts in één richting stromen en dat genereert de lichtgolven", zegt Lupton. "Omdat die lichtgolven maar in één richting oscilleren, kan het licht vast komen te zitten in de OLED, wat een beetje lijkt op een optische vezel."

Dat is volgens hem de reden waarom zelfs met de nieuwste OLED-smartphones "uw batterij binnen twee dagen leeg is omdat het scherm veel van de elektriciteit verbruikt."

"De rotelle - technisch genoemd oligomeren - zijn in principe ingepakte polymeren, " zegt Lupton. "Ze hebben allemaal dezelfde vorm, maar ze stralen geen gepolariseerd licht uit omdat ze rond zijn. Ze genereren golven die in alle richtingen trillen. Het licht heeft geen vaste polarisatie; het trilt niet in een vaste richting. Het kan er altijd uitstappen. "

Lupton vergelijkt het vermogen van de wagenwielmoleculen om ongepolariseerd licht in alle richtingen uit te stralen met wat er gebeurt als een potlood perfect op zijn punt in evenwicht is en elke keer in een andere, willekeurige richting valt.

Een wagenwielvormig molecuul bereiden

Het internationale team van fysici en scheikundigen is erop uit moleculen te maken die lichtgolven in alle richtingen genereren in plaats van in een vaste richting. In de nieuwe studie rapporteren ze hoe de spaakwielmoleculen zijn gemaakt, afbeeldingen van hen hebben gemaakt en experimenten met afzonderlijke moleculen hebben uitgevoerd, waaronder het kijken naar fotonen of lichtdeeltjes, die een voor een uit een enkel molecuul zijn uitgestoten. In die experimenten scheen ze een ultraviolet licht op de rotelle-vormige moleculen om fotonen met zichtbaar licht te genereren.

"We hebben aangetoond dat elk foton dat eruit komt een vervormde polarisatie heeft, de polarisatie verandert willekeurig van foton naar foton, " zegt Lupton.

Het uitgestraalde licht is blauwgroen, zegt Lupton, maar afbeeldingen bij het papier - genomen met een scanning tunneling elektronenmicroscoop - tonen de rotelle- en spaghetti-vormige moleculen met een valse geelbruine kleur voor een goed contrast.

Elk wagenwielmolecuul is slechts zes nanometer breed, wat groot is voor een molecuul, maar klein in vergelijking met de breedte van 100.000 nanometer van een mensenhaar.

Met behulp van rotelle-vormige oligomeren in plaats van spaghetti-vormige polymeren, "moeten we in principe de efficiëntie van het krijgen van het licht kunnen verdubbelen" - hoewel dat nog moet worden bewezen, zegt Lupton.

"Zelfs als we de polarisatie door elkaar gooien, hebben we altijd een beetje licht gevangen in de OLED", zegt hij. "Die verliezen zijn nu 80 procent en we kunnen waarschijnlijk oplopen tot 50 of 60 procent."