Пиксели в экранах телефонов и других OLED-дисплеях, казалось бы, излучают равномерное свечение, но группа исследователей из инженерного факультета Мичиганского университета обнаружила, что свет на самом деле исходит от наноразмерных «горячих точек», некоторые из которых мерцают. Это может негативно сказываться на сроке службы устройств.

«Если по некоторым участкам проходит больший ток, чем по другим, они, скорее всего, выйдут из строя быстрее», — сказал Стив Форрест, заслуженный профессор инженерных наук имени Питера А. Франкена и один из ведущих авторов исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics . «Это явление может повлиять на надежность и производительность устройств, таких как эффективность солнечных батарей или подвижность заряда в транзисторах. Оно пронизывает все органические вещества, поэтому является очень фундаментальным, но в то же время очень практическим».

Команда также предлагает решение для органической, или углеродной, электроники: кристаллические структуры, а не типичная аморфная структура, могут прослужить дольше.

Как операторы зарядных станций создают точки доступа.

«Расчеты, которые побудили нас к поиску этого явления, на самом деле довольно старые. В середине 2000-х годов люди предсказывали то, что они называли явлением каналирования тока », — сказал Крис Гибинк, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Мичигана и один из ведущих авторов исследования. «Это можно сравнить с холмистым ландшафтом. Электроны, или носители заряда, которые движутся через устройство, стремятся следовать по путям с наименьшей энергией, поэтому они будут двигаться вдоль долин».

Носители заряда бывают двух типов: электроны и положительно заряженные «дырки», которые движутся в противоположных направлениях по ландшафту. В местах пересечения этих потоков светоизлучающие молекулы преобразуют электронно-дырочные пары в фотоны, или частицы света.

Поскольку некоторые долины глубже других, в них, как правило, наблюдается интенсивное движение носителей заряда, плотность которых, как считается, в 10-100 раз выше, чем в остальной части материала. В отличие от них, кристаллические материалы более однородны. Их ландшафт более плоский, что приводит к более равномерному распределению носителей заряда и уменьшению эффекта локальных скоплений.

Приближение изображения моргания в наномасштабе

Теория предполагает, что эти «горячие точки» имеют размер всего несколько десятков нанометров. На изображениях, полученных с помощью оптического микроскопа, они выглядят как зернистость, поскольку микроскоп способен различать детали размером в несколько сотен нанометров и более.

«Первоначально нас беспокоило, не являемся ли мы артефактом микроскопа», — сказал Джошуа Спрингстин, аспирант в области электротехники и вычислительной техники и первый автор исследования. «Мы исследовали один и тот же участок устройства с помощью нашего микроскопа, используя как фотолюминесценцию, так и электролюминесценцию, подтвердив, что это было электрическое явление».

Поскольку некоторые из источников света мерцают и не всегда синхронизированы, Спрингстин смог снять видео устройства и обработать его с помощью программного обеспечения, которое отслеживало изменения яркости, когда одна горячая точка гасла, а другая оставалась включенной. Этот метод, называемый сверхразрешающей оптической флуктуационной визуализацией, помог команде подтвердить, что горячие точки были меньше половины длины волны излучаемого ими зеленого света.

Почему мигание важно для устройств

Исследователи полагают, что мерцание происходит из-за носителей заряда, временно застрявших в провалах энергетического ландшафта. В таких случаях они действуют как плотины, отталкивая другие носители заряда, которые ищут альтернативные пути и приводят к тому, что расположенные ниже по потоку горячие точки гаснут. В конце концов, носитель заряда поглощает достаточно тепла, чтобы вырваться из провала, и первоначальная горячая точка снова загорается. Поскольку мерцающие горячие точки не синхронизированы, человеческий глаз воспринимает аморфные OLED-дисплеи как постоянно светящиеся.

Чтобы подтвердить правильность механизма, команда использовала более ранние расчеты, показывающие, где текут и встречаются потоки носителей заряда. Спрингстин взял эти теоретические стоп-кадры и обработал их, чтобы имитировать то, как горячие точки были бы размыты с помощью метода сверхразрешающей микроскопии, который они использовали. Эти модифицированные изображения моделирования достаточно хорошо напоминали экспериментальные изображения, поэтому команда уверена, что они действительно видели горячие точки.

Устройство было создано в лаборатории нанофабрикации им. Лурье и исследовано в Мичиганском центре характеризации материалов.