Tutkijat ovat kehittäneet mikrokaviteetti-OLED-teknologiaa koskevan yhtenäisen teorian, joka ohjaa tehokkaampien ja kestävämpien laitteiden kehitystä. Tutkimus paljastaa yllättävän verrannollisuuden: valon liiallinen puristaminen OLEDin sisällä voi itse asiassa pienentää laitteen suorituskykyä. Maksimitehokkuus saavutetaankin materiaali- ja kaviteettiparametrien herkällä tasapainolla.
Orgaaniset valoa emittoivat diodit (OLEDit) ovat monin tavoin perinteisiä LEDejä hyödyllisempiä: ne ovat kevyitä, taipuisia ja ympäristöystävällisempiä valmistaa ja kierrättää. Raskasmetallivapaat OLEDit voivat kuitenkin olla verrattain tehottomia, sillä jopa 75 % sisäänsyötetystä sähköenergiasta voi muuttua lämmöksi.
OLEDien tehokkuutta voi parantaa sijoittamalla laitteen optisen mikrokaviteetin sisään. Elektromagneettisen kentän puristaminen pakottaa valon nopeammin laitteesta ulos sen sijaan, että energia muuntuisi hukkalämmöksi.
– Se on periaatteessa kuin puristaisi hammastahnaa tuubista, selittää apulaisprofessori Konstantinos Daskalakis Turun yliopistosta.
Tietyn puristuskynnyksen jälkeen emittoivan materiaalin ja elektromagneettisen kentän alkuperäiset energiatasot hybridisoituvat. Tällaisia valon ja materian sekoitettuja tiloja kutsutaan polaritoneiksi.
Vaikka polaritoni-OLEDien staattiset energiatasot ymmärretään hyvin, paljon vähemmän tiedetään puristamisen vaikutuksesta näiden tasojen välisiin siirtymiin. Tämän seurauksena polaritoni-OLEDien kehitys on pitkälti pohjautunut yritykseen ja erehdykseen.
Turun yliopiston tutkijaryhmä on nyt kehittänyt ensimmäisen teoreettisen mallin, joka selittää, miten nämä siirtymät muuttuvat puristuksen vaikutuksesta. Malli ennustaa yllättäen tehokkuuden tippuvan, kun polaritonit muodostuvat. Tämä johtuu kahdesta syystä.
– Vaikka polaritonit emittoivat valoa hyvin nopeasti, ne ovat tyypillisesti satojen tuhansien molekyylien jaettuja tiloja, mikä heikentää niitä virittäviä prosesseja, selittää tutkijatohtori Olli Siltanen.
– Nämä viritysmekanismit heikentyvät myös, jos polaritonienergiat sijaitsevat liian kaukana alkuperäisistä molekulaarisista energiatasoista.
Mallin mukaan mikrokaviteetti-OLEDien maksimitehokkuus saavutetaan materiaali- ja kaviteettiparametrien herkällä tasapainolla. Vaikka monen molekyylin jakamat polaritonit ovat mallin mukaan jopa haitallisia, kaikki toivo ei ole mennyttä.
– Vaihtoehtoiset laitearkkitehtuurit sallivat polaritonien muodostumiseen osallistuvien molekyylien lukumäärän pienentämisen sadoista tuhansista vain muutamiin. Tällaiset OLEDit voisivat potentiaalisesti saavuttaa ennätyskorkeita tehokkuuksia, sanoo Daskalakis.
Tulokset on julkaistu Materials Horizons -lehdessä.
Pääkuva: Mikrokaviteetti-OLEDien fysiikka avautumassa. Kuva: Mikael Nyberg
