Международная группа учёных из Кембриджского университета и Технического университета Эйндховена преодолела долговременное препятствие в разработке органических полупроводников, что открывает путь для создания более энергоэффективных OLED-дисплеев и перспективных технологий, таких как спинтроника и квантовые вычисления.
Исследования демонстрируют материал, способствующий спиральной траектории движения электронов, позволяя создавать циркулярно поляризованный свет – важный фактор для развития современной электроники.
Новый материал напоминает хиральные структуры, существующие в природе, в отличие от симметричных неорганических полупроводников, например, кремния. Хиральность, свойство молекул иметь «правую» или «левую» зеркальную форму, существенна для биологических процессов, таких как формирование ДНК. Учёным до сих пор не удавалось эффективно управлять этим явлением в электронных устройствах.
Вдохновленные природой, команда применила методы молекулярного проектирования для создания полупроводника на основе триазатруксена (TAT). Молекулы этого материала самоорганизуются в упорядоченные спиральные колонны, заставляя электроны двигаться по резьбовой траектории. Это приводит к циркулярной поляризации света — свойству, определяемому «закрученностью» движения электронов.
При работе с органическими полупроводниками многие сомневались в их возможностях. Сейчас они лидируют в дисплейных технологиях, но наш подход открывает новые перспективы, — сказал сэр Ричард Френд, соавтор исследования. По его словам, гибкость органических материалов позволяет создавать структуры, недоступные жёстким неорганическим аналогам: «Это как собрать что угодно из Lego с бесконечным набором деталей, а не только из прямоугольных блоков».
Главным успехом стало встраивание TAT в функциональные OLED-девайсы с циркулярной поляризацией. Ученые, внеся изменения в обычные производственные методы, получили наивысшие показатели эффективности, яркости и степени поляризации.
Материал TAT при воздействии синим или ультрафиолетовым светом испускает яркий зелёный свет с сильной круговой поляризацией. Марко Прейс из Эйндховена отметил, что такой эффект в полупроводниках ранее был практически невозможен. По его словам, структура TAT не только направляет электроны, но и изменяет свойства излучаемого света.
Кроме экранов, где хиральные полупроводники могут уменьшить энергопотребление на 30% — 50%, технология открывает путь к прорыву в спинтронике — области, использующей спин электронов для хранения и обработки данных. Это может привести к появлению более быстрых и безопасных вычислительных систем. Кроме того, контроль над спином важен для квантовых вычислений.
Впервые учёные установили связь между хиральностью строения и движением электронов на таком уровне. Это принципиально новый этап в развитии науки.
Органические полупроводники уже создают индустрию с объемом свыше 60 миллиардов долларов, и новая разработка увеличивает их возможности. Ученые утверждают, что следующим шагом станет коммерциализация технологии — первые дисплеи на основе CP-OLED могут появиться в продаже через пять лет, а в долгосрочной перспективе хиральные материалы могут изменить архитектуру квантовых процессоров и систем шифрования.