Блог компании Samsung. Авторы: Вячеслав Шумаев, Татьяна Волкова. В этой статье вы узнаете о моделировании свойств новых материалов, о том, как это помогает увеличить срок службы синих светодиодов в OLED-экранах, зачем нужен искусственный интеллект в квантовой химии, и в какую сторону двигаться студенту, чтобы стать ученым и в итоге сделать публикацию в журнале Nature.

Об этом расскажет Александр Якубович — сотрудник российского Исследовательского Центра Samsung. Этот центр, работающий в Москве с 1993 года, занимается исследованиями и разработками в сфере системного программного обеспечения, компьютерного зрения, сенсоров и оптических технологий.

Факты об образовании и научной работе Александра:

• Лицей «Физико-техническая школа» им. Ж. И. Алфёрова. Научно-исследовательская практика со старших классов — спектрометрия протонных проводников для топливных ячеек.
• Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, физико-технический факультет. Параллельно работа в физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ). Со старших курсов — теоретические расчёты биологических молекул (фрагментов белков, ДНК) на компьютерах.
• На старших курсах — научные командировки во Франкфуртский университет имени Иоганна Вольфганга Гёте.
• Аспирантура в ФТИ и одновременно в университете им. Гёте. Кандидатская диссертация о квантовых расчётах свойств полипептидов. PhD-диссертация о фазовых переходах в белках.
• Постдокторантура во франкфуртском институте перспективных исследований по теме лечения рака с помощью облучения быстрыми частицами.
• Работа в российском Исследовательском Центре Samsung с момента создания там центра компетенций по моделированию материалов в 2013 году.

Методы нанесения и перспективы технологий светодиодов

Одно из преимуществ OLED – это очень тонкий (~ 100 нм) излучающий слой, поэтому его можно наносить на различные подложки, например, гибкие.

OLED-экран Samsung, способный гнуться и растягиваться.

Сейчас материалы, из которых будут состоять пиксели, наносят на подложку помощью технологии осаждения в вакууме. Это не очень эффективно, накладывает ограничения на размеры молекул (большие молекулы невозможно поднять в газовую фазу). Поэтому в последнее время получает распространение жидкостное осаждение. Это похоже на печать на принтере. Конечно, есть сложности: нужно использовать растворимые материалы, сверхчистые растворители, которые растворяют один слой, но не растворяют соседний, так как слои наносятся друг за другом. Таким способом делают элементы освещения, экраны пока ещё на стадии прототипов.

OLED позволяет делать энергоэффективные светящиеся поверхности. Если сохранится тенденция к снижению стоимости таких светодиодов, то технология получит ещё большее распространение. Если, вдобавок, научиться печатать такие поверхности, то технология станет распространена повсеместно. Мы получим, к примеру, экраны в виде наклеек или светящуюся одежду.

Проблема выгорания OLED

Материалы можно разделить на две больших группы: флуоресцентные и фосфоресцентные. Первые излучают только одну четверть энергии, которая в них находится, но они более стабильны. Вторые излучают до 100% энергии, но, как правило, подвержены ускоренной деградации.

Выгорание красных органических светодиодов (OLED) в телевизоре LG C8 после почти двух лет теста, имитирующего просмотр канала CNN на максимальной яркости в 2018–2019 годах.

Так, например, в современных OLED-экранах смартфонов используются эффективные фосфоресцентные материалы для зеленых и красных светодиодов, а для синих – флуоресцентные. Такие материалы имеют достаточный запас стабильности для того, чтобы следы деградации не были заметны на экранах на заявленном сроке службы, но они не так эффективны, как могли бы быть.

OLED-экран с выгоревшим синим цветом. Хорошо видно, что логотип DOLBY практически «впечатался» в экран.

OLED состоит из большого количества материалов. Это многослойная система, слои которой имеют разные свойства (электронную, дырочную проводимость и так далее). Излучающий слой, где происходит рекомбинация носителей заряда, тоже состоит из комбинации материалов, причём эти материалы часто содержат такие экзотические элементы, как иридий или платина. Кстати говоря, именно благодаря тому, что электроны в атомах этих платиноидов движутся с огромной скоростью – близкой к скорости света, становится возможным извлечь энергию из так называемых темных или «триплетных» состояний. И тем самым получить максимум энергии в виде излучения.

Структура OLED и схема рекомбинации носителей зарядов в излучающем слое.

Сomputational Material Discovery — поиск новых материалов с помощью расчётов

Задача создания яркого, эффективного OLEDa связана с тем, что нужно найти комбинацию материалов, которые хорошо работают друг с другом. Получается, что каждый материал должен обладать неким набором свойств, но не независимым, а комплементарным свойствам всех остальных материалов в составе слоев диода.

Проводится поиск сразу по широкому набору направлений, так как есть большое разнообразие свойств, которым эти материалы должны соответствовать: длина волны излучения, профиль спектра (чтобы материал имел глубокий насыщенный цвет), у него должны быть определенные энергетические уровни, колебательные уровни и так далее. Более того, материал должен иметь подходящую температуру испарения, чтобы его можно было осадить на подложку, определенную химическую структуру, чтобы её можно было синтезировать, и она была бы химически стабильной.

В идеале можно предположить, что кто-нибудь придумает набор теоретических методов, которые будут предсказывать все эти свойства. Но в реальности работа происходит в тесном контакте с экспериментаторами. Они, допустим, находят какую-нибудь комбинацию материалов, которая выглядит перспективной, и нам ставится задача сделать дополнительный инкрементальный шаг, изменяющий одно из свойств в нужном направлении при минимальном изменении остальных. И тогда в районе выбранного набора материалов мы делаем какие-либо модификации структуры и смотрим, как они влияют на целевые характеристики. И говорим, условно, если внести определенные модификации химической структуры, например, добавить фрагменты-доноры электронной плотности, то такие-то свойства будут лучше, а какие-то хуже. Это последовательный процесс.

ИИ в дизайне новых материалов

Есть подходы, которые используют идею широкого перебора свойств материалов на суперкомпьютере. Они называются High Throughput Computational Screening (высокопродуктивный скрининг). Но с ним существуют проблемы: одна из них связана с тем, что химическое пространство, где находятся эти молекулы, настолько большое, что мы должны его ограничивать, исходя из каких-то соображений – мы не можем перебрать все гипотетически возможные молекулы. Второе — точность расчетов, в том числе и самых затратных с точки зрения компьютерного времени — квантово-механических, она ограничена. Если мы берём структуры, компьютер не всегда позволяет достаточно достоверно предсказать свойства, которые мы оптимизируем.

Более того, проблема, связанная с деградацией материалов, является одной из ключевых в области органических светодиодов. Сам механизм деградации до конца не изучен. Это целый комплекс, целый каскад процессов. Для разных комбинаций материалов эти механизмы разные. Практически невозможно предложить универсальный метод, который для всех возможных молекул предскажет возможные деградации и ещё это сделает с хорошей точностью.

Но некоторую надежду могут дать методы свёрточных нейронных сетей. Они позволяют спроецировать многомерное химическое пространство молекул на пространство меньшей размерности. И далее, если проецирование оказалось удачным, можно начать искать перспективные структуры молекул в этом подпространстве меньшей размерности, например, рядом с молекулами, про которые мы знаем, что они обладают подходящими свойствами. Таким образом получается не очень широкий набор молекул, который дальше можно направить на квантово-механический расчёт на суперкомпьютерах и уже более точно предсказать, например, их энергетические уровни и длины волн излучения. Познакомиться со статьей, использующей этот метод, вы сможете здесь.

Методы моделирования материалов

Материалы, которые используются в OLED – это, как правило, смеси небольших молекул. Часто стоит задача провести моделирование морфологии этих смесей, то есть ответить на вопрос, как молекулы материала расположены друг относительно друга, как они взаимодействуют, как между молекулами происходит перенос электрона или дырки, как происходит перенос энергии, какие места подвержены деградации.

Вопросы морфологии материала решаются с помощью методов молекулярной динамики.