Прорыв в «скручивании» света может произвести революцию в электронике, например, OLED и ночном видении
Прорывное исследование показало, что закручивание света в спиральные узоры, подобные тем, что встречаются в природе, значительно повышает эффективность OLED-экранов.
Исследователи, разработавшие новый подход, считают, что их метод закручивания света может произвести революцию в эффективности электроники, включая технологии дисплеев OLED и ночного видения.
За почти 150 лет, прошедших с момента изобретения лампочки, наука о свете продолжает развиваться. В последние десятилетия, когда электронные устройства, включая дисплейные технологии, стремительно распространяются, ученые ищут новые и инновационные способы контролировать хаотическое поведение света или даже манипулировать светом в субволновом масштабе, чтобы улучшить производительность и эффективность этих устройств.
Крутящийся свет: Последний прорыв в области манипулирования светом
В 2023 году исследователи Городского колледжа Нью-Йорка (CCNY) успешно поймали свет в ловушку с помощью магнитов и метаматериалов. В прошлом году исследователи из Нидерландов смогли остановить свет на его пути с помощью фотонного кристалла. На прошлой неделе журнал The Debrief сообщил о международной работе по превращению лазерного света в новое состояние материи, называемое сверхтвердым. Министерство энергетики США даже финансировало эксперименты, направленные на сжатие инфракрасного света на 90 %, в результате чего был получен совершенно новый оптический материал.
Тем не менее, конечной целью многих из этих работ является совершенствование электронных устройств, использующих свет. Некоторые из этих подходов включают в себя использование метаматериалов для передачи света, использование ураганов света для повышения эффективности или даже использование оригинальных разработок Томаса Эдисона для генерации закрученного света.
Последняя работа, возглавляемая исследователями из Кембриджского университета и Технологического университета Эйндховена, позволила успешно закрутить свет в OLED-дисплее, предвещая потенциальный прорыв в области манипулирования светом.
Создание хиральности в подражание природе
Согласно заявлению исследовательской группы, молекулы часто имеют хиральную структуру, то есть они могут быть ориентированы влево или вправо, подобно человеческим рукам. Однако воспроизвести это естественное состояние в электронике, чтобы воспользоваться присущей ей эффективностью, оказалось непросто.
В опубликованном команда решила эту проблему, разработав специализированный хиральный полупроводник, «подталкивая» стопки полупроводниковых молекул, чтобы сформировать лево- и правосторонние колонки, которые работают, закручивая свет в принудительную хиральность.
В основе полупроводника лежит триазатруксен (TAT) - материал, который «самособирается» в спиральные стопки. По словам соавтора исследования Марко Преусса из Технологического университета Эйндховена, эта уникальная структура позволяет электронам, движущимся по ней, закручиваться по спирали, подобно резьбе на винте.
«При возбуждении синим или ультрафиолетовым светом самособирающийся TAT излучает ярко-зеленый свет с сильной круговой поляризацией — эффект, которого до сих пор было трудно добиться в полупроводниках», — говорит соавтор работы Марко Преус из Технологического университета Эйндховена. «Структура TAT позволяет электронам эффективно перемещаться, влияя при этом на излучение света».
В данном случае полупроводниковый материал излучал циркулярно поляризованный свет. Это означает, что свет несет «информацию» о том, являются ли электроны левосторонними или правосторонними. Команда говорит, что такая конструкция заметно отличается от неорганических полупроводников, таких как кремний, чья симметричная внутренняя структура позволяет электронам двигаться через них «без какого-либо предпочтительного направления».
Модифицированный OLED демонстрирует значительное повышение эффективности
Команда протестировала свой новый подход к закручиванию света, изменив существующие технологии изготовления OLED, так что TAT был непосредственно включен в работающие циркулярно поляризованные OLED (CP-OLED). В результате были получены устройства, которые «продемонстрировали рекордную эффективность, яркость и уровень поляризации».
«Мы, по сути, переработали стандартный рецепт создания OLED, как в наших смартфонах, что позволило нам поймать хиральную структуру в ловушку внутри стабильной, некристаллизующейся матрицы», — говорит соавтор исследования Ритупарно Чоудхури из Кавендишской лаборатории Кембриджа. «Это дает практический способ создания циркулярно поляризованных светодиодов, что долгое время не удавалось сделать».
Профессор Берт Мейер из Технологического университета Эйндховена согласился с ним, отметив, что органический полупроводник, способный закручивать свет, может значительно повысить эффективность таких технологий отображения информации, как телевизоры, смартфоны и приборы ночного видения. Хиральные полупроводники также могут сыграть решающую роль в питании квантовых компьютеров и устройств на основе спинтроники.
«Это настоящий прорыв в создании хирального полупроводника», — говорит Мейер. «Тщательно разработав молекулярную структуру, мы связали хиральность структуры с движением электронов, а это еще никогда не удавалось сделать на таком уровне».
Потенциал для доминирования в отрасли
В заключении исследования профессор сэр Ричард Френд из Кавендишской лаборатории Кембриджа, который был одним из руководителей исследования, сказал, что использование органических полупроводников когда-то было не в моде. Однако благодаря огромному количеству применений и способов использования они теперь «доминируют в индустрии», поддерживая отрасль стоимостью более 60 миллиардов долларов.
«В отличие от жестких неорганических полупроводников, молекулярные материалы обладают невероятной гибкостью, что позволяет нам создавать совершенно новые структуры, например, хиральные светодиоды», — пояснил Френд. «Это все равно что работать с набором Lego, в котором есть все возможные формы, а не только прямоугольные кирпичики».
Помимо повышения эффективности электронных дисплеев, команда считает, что органические полупроводники, способные закручивать свет, могут иметь большое значение для квантовых компьютеров. Они также видят возможности в спинтронике, «области исследований, которая использует спин, или собственный угловой момент, электронов для хранения и обработки информации», что может привести к созданию более быстрых и безопасных вычислительных систем.