Делегация ученых, студентов и аспирантов Лаборатории низкоуглеродных химических технологий (ORËL Research Lab) Новосибирского государственного университета выступила с докладами на 12 Международной школе-конференции по органической электронике — IFSOE-2026, проходившей в Москве. Это ежегодное мероприятие, объединяющее участников со всей России и дальнего зарубежья для обсуждения актуальных проблем органической электроники — одного из самых перспективных и молодых направлений современной науки на стыке химии, физики и технологий. В этом году доклад аспирантки Факультета естественных наук НГУ, младшего научного сотрудника ORËL Research Lab Дарьи Таракановской был отмечен победой в номинации «Лучший устный доклад». Он посвящен молекулярному дизайну узкополосных молекул-эмиттеров для OLED с помощью инструментов искусственного интеллекта.
Органическая электроника в НГУ сегодня развивается молодым коллективом ORËL Research Lab сразу в нескольких направлениях — от создания новых светоизлучающих молекул и разработки более эффективных OLED до органических транзисторов, сенсоров и нейроморфных устройств. Несмотря на различия между этими технологиями, их объединяет одна общая задача — научиться целенаправленно управлять свойствами органических материалов на уровне молекул и превращать эти свойства в работающие устройства. Именно на стыке химии, физики, компьютерного моделирования и инженерии и рождаются новые решения, которые в будущем могут найти применение в самых разных областях электроники.
Сотрудники ORËL Research Lab рассказали о том, какие исследования они проводят в такой загадочной области, как органическая электроника.
Однослойные OLED
Заведующий лабораторией ORËL Research Lab кандидат химических наук Евгений Мостович:
— Одно из направлений исследований нашей лаборатории связано с созданием однослойных OLED. В наиболее распространенной архитектуре OLED состоит из нескольких очень тонких слоев органических материалов, толщина каждого из них может составлять всего несколько десятков нанометров. Каждый слой выполняет свою особенную функцию, как исполнители в оркестре, где каждый исполняет свою партию. Одни облегчают транспорт дырок, другие — электронов, третьи блокируют носители зарядов или обеспечивают излучение. В конечном счете все эти процессы должны сойтись в одной особой области «святая всех святых» — зоне рекомбинации. Именно здесь происходит вся магия OLED: электрон и дырка встречаются вместе и образуют экситон — возбужденное электронное состояние молекул. Возвращаясь в основное состояние, экситон может привести к испусканию фотона, то есть видимого света. Но сделать эффективный OLED очень непростая задача, нужно согласовать работу множества слоев, настроить и оптимизировать. Поэтому возникает естественный вопрос: а можно ли объединить несколько функций в одном материале и тем самым упростить конструкцию OLED? Именно здесь появляется идея однослойного OLED — устройства, в котором транспорт зарядов и зона рекомбинации реализованы в одном органическом слое.
На первый взгляд задача кажется противоречивой. Органические материалы часто специализируются на транспортировке преимущественно одного типа носителей, электронов или дырок. А теперь от одной молекулярной системе требуется одновременно эффективно транспортировать оба типа зарядов, обеспечивать их рекомбинацию и при этом эффективно излучать свет. Именно такие материалы мы и ищем. Одну из перспективным молекулярных систем мы спроектировали совместно с нашими коллегами и буквально собрали «по кирпичикам», как молекулярный конструктор LEGO. Квантовый выход фотолюминесценции нашей молекулярной системы составил более 60%, а прототип OLED «зажегся» при напряжении чуть более 2 В. Но, пожалуй, самое интересное заключается не только в самой молекуле. Использованный нами подход к молекулярному дизайну оказался достаточно универсальным и может быть перенесен на другие классы органических материалов. Это открывает возможность целенаправленно изменять структуру молекул и в конечном итоге создавать более эффективные OLED с простой однослойной архитектурой.
ИИ в моделировании новых материалов
Аспирантка Факультета естественных наук НГУ, младший научный сотрудник ORËL Research Lab Дарья Таракановская:
— Поиск новых материалов для OLED-технологий — одна из актуальных задач современной органической электроники. Ключевым фактором успешного исследования в этой высококонкурентной области становится скорость поиска и моделировании новых материалов, особенно для OLED нового поколения на основе мультирезонансной термически активированной замедленной флуоресценции (MR-TADF). Такие материалы потенциально позволяют использовать практически все образующиеся в OLED триплетные возбужденные состояния для генерации света и одновременно обеспечивают узкую полосу эмиссии. С помощью квантово-химических методов мы исследовали серии MR-TADF-эмиттеров на основе π-аннелированного B,N-содержащего ядра DABNA и установили, как структура молекулы и мостиковые гетероатомы влияют на разницу энергий синглетного и триплетного состояний, спин-орбитальное взаимодействие и силу осциллятора — параметры, во многом определяющие эффективность обратной интеркомбинационной конверсии и последующего излучения. Однако перебор большого количества молекулярных структур с использованием классических методов квантовой химии требует значительных вычислительных ресурсов. Поэтому мы разработали инструмент ускоренного поиска на основе графовой сверточной нейронной сети, способный предсказать ключевые энергетические характеристики молекул с точностью MAE < 0.10 эВ. Далее мы развили этот подход, объединив машинное обучение с анализом корреляций между электронно-топологическими дескрипторами и экспериментальными свойствами молекул. Это позволило перейти от простого перебора большого числа структур к более направленному молекулярному дизайну высокоэффективных узкополосных OLED-материалов. И, что особенно важно, такой подход позволяет существенно сократить вычислительные ресурсы и время, необходимые для поиска и моделирования новых молекул, открывая возможность быстрее проходить путь от идеи и компьютерной модели до реального синтеза и экспериментального устройства.
Светоизлучающие молекулы
Аспирант НГУ, лаборант ORËL Research Lab Юрий Кузьмин:
— Как известно, OLED страдают не только от недостаточной эффективности, но и от недостаточной чистоты цвета. Она связана с особенностями нашего восприятия цветности и во многом определяется шириной спектра излучения. Чем уже спектральная линия, чем более чистым и насыщенным воспринимается цвет. Для решения первой проблемы одним из наиболее перспективных подходов считается использование молекул-эмиттеров с термически активируемой замедленной флуоресценцией (TADF). Однако большинство таких молекул построены по типу разделенных донор-акцепторных систем. Несмотря на высокую эффективность в конверсии возбужденных состояний в свет, такие молекулы часто обладают избыточной структурной гибкостью, что приводит к широкому спектру излучения. Чтобы решить эту проблему, был предложен подход, получивший название мультирезонансной термически активируемой замедленной флуоресценцией — MR-TADF. В этом случае донорные и акцепторные центры формируются не отдельными функциональными группами, непосредственно атомами внутри единого жесткого ароматического скелета. Например, такую роль могут играть комплементарные атомы бора и азота, или сочетание, карбонильного фрагмента и атомов азота. Все эти центры объединены в жесткую и практически плоскую молекулярную систему. Такое устройство молекулы позволяет значительно уменьшить влияние структурных колебаний на процесс излучения и, как следствие, существенно сузить спектральную линия, сохраняя при этом высокий квантовый выход фотолюминесценции и хорошую химическую и термическую стабильность.
Поиском и разработкой таких молекул занимаемся и мы. Оказалось, что введение атома серы в одну из исследуемых нами молекулярных систем приводит к резкому улучшению целого комплекса характеристик TADF. При этом ширина спектральной линии уменьшается примерно с 70 до 30 нм, то есть излучение становится значительно более узким и чистым по цвету. Мы надеемся, что использование таких соединений позволит в дальнейшем создавать высокоэффективные OLED с более чистым цветом излучения, которые смогут найти применение в самых разных устройствах повседневной электроники.
Молекулярный дизайн
Студент Факультета естественных наук НГУ, лаборант ORËL Research Lab Роман Еловский:
— Найти устойчивую синюю молекулу-эмиттер — это одна из главных проблем современной OLED-технологии. Дело в том, что синий цвет несет большую энергию, и также высокоэнергетические возбужденные состояния могут повышать вероятность нежелательных фотохимических процессов и деградации органических материалов. Именно поэтому стабильные синие молекулы-эмиттеры остаются одной из самых сложных задач для разработчиков OLED. Одним из подходов к эффективному использованию триплетных состояний является механизм триплет-триплетной аннигиляции (ТТА). При этом два триплетных возбужденных состояния взаимодействуют друг с другом, и их энергия может преобразоваться в одно более высокоэнергетическое синглетное состояние, которое затем способно излучать свет. Такой подход позволяет по-новому управлять преобразованием энергии внутри органического эмиттера и открывает дополнительные возможности для создания эффективных синих OLED.
В своей работе я использую квантово-химические инструменты для молекулярного дизайна таких соединений, выбираю наиболее перспективные структуры, планирую их синтез и затем получаю молекулярные системы с заданными свойствами. Это большая синтетическая работа, причем особенно важным этапом является очистка, которая порой занимает больше времени, чем сам синтез. Только после этого начинается изучение свойств полученных молекул. И это, пожалуй, одна из самых красивых частей работы. После всех расчетов, синтеза и очистки ты наконец видишь, как светится вещество, которое только что создал своими руками. И понимаешь, что эта молекула в перспективе может стать частью технологии, которую мы каждый день видим на экране смартфона или гаджета. Для меня именно это сочетание фундаментальной химии, квантово-химического моделирования и возможности увидеть непосредственный результат своей работы делает исследование таких материалов особенно интересным.
Нейроморфные устройства
Младший научный сотрудник ORËL Research Lab Алена Демьяненко:
— Однако органическая электроника — это не только OLED. Она включает также органические солнечные батареи, транзисторы, сенсоры и другие устройства. Одно из самых молодых и активно развивающихся направлений — органическая нейроморфика, которая занимается созданием нейроморфных, то есть нейроноподобных, устройств на основе органических полупроводников. Одним из перспективных типов таких устройств являются органические полевые транзисторы с электролитическим затвором (EGOFET). Они отличаются высокой чувствительностью к электрическим сигналам и способностью работать при низких напряжениях — менее 1 В. Разработанные нами EGOFET устройства на основе органического полупроводника P3HT и биосовместимого ионного гель-электролита на основе ионных жидкостей способны воспроизводить различные функции биологического синапса. В частности, мы успешно продемонстрировали с помощью наших EGOFET возбуждающий постсинаптический ток, кратковременную потенциацию и фасилитацию парных импульсов — то есть все те эффекты, которые лежат в основе передачи и обработки сигналов в биологических нервных системах. Дальнейшая разработка и оптимизация таких устройств, а в перспективе и их масштабирование, позволят создать новые эффективные системы, способные воспроизводить отдельные принципы работы биологических нейронных сетей. В отличие от обычной электроники, такие устройства потенциально могут использоваться не только для передачи сигнала, но и одновременно для его запоминания и обработки.
