Китайские химики получили универсальный пиксель на основе электрофлюорохромных материалов, который в зависимости от прикладываемого напряжения светит синим, красным и зеленым. Ученые сконструировали 24-пиксельный дисплей и изобразили на нем буквы R, G, B, однако смена цветов происходила за пять секунд — слишком медленно по меркам современных дисплеев. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.
Пока Вы читаете этот текст, пиксели на экране излучают свет в соответствии RGB-схемой, в которой цвет пикселя определяется интенсивностью трех субпикселей красного, зеленого и синего цвета. Такой подход широко используется, хотя и неэффективен — в пикселе все еще много пустого пространства. Тем не менее ученые стремятся преодолеть субпиксельный барьер для уменьшения зернистости картинки и повышения качества изображения. Один из таких подходов — получение универсального пикселя, который способен излучать все основные цвета самостоятельно. Три года назад американские ученые представили технологию получения универсального пикселя на основе жидких кристаллов — цвет можно было контролировать электрическим напряжением за счет плазмонного резонанса на поверхности.
Электрофлюорохромные материалы — органические ароматические молекулы или сопряженные полимеры, которые по-разному светятся в окисленной и восстановленной форме. Соответственно, изменение такой формы происходит благодаря приложению электричества нужного потенциала. До сих пор в большинстве таких материалов используют электрический ток для включения или гашения флуоресценции, а также для перехода между двумя цветами. Получить полимер или органическую молекулу с тремя флуоресцентными центрами очень сложно, а потому возможное решение — сочетание двух флуоресцентных материалов. Несколько лет назад устройство с электрофлюорохромными полимерами уже сделали, но избавиться от субпиксельной технологии тогда не получилось.
Группа химиков под руководством Сэань Сяо-Ань Чжан (Sean Xiao-An Zhang) из Цзилиньского университета получила первый образец универсального пикселя на основе электрофлюорохромного материала с тремя основными цветами. Чтобы обойти проблемы субпиксельной технологии, ученые выбрали следующие критерии: каждый пиксель должен обладать тремя состояниями (один цвет горит, остальные два — нет), и при этом не должно происходить наложение спектров.
Чтобы избежать лишнего взаимодействия между материалами, ученые раздельно наносили слои красно-зеленого и синего материала. Для зелено-красной пары они выбрали зеленый флуоресцеин с бензохиноном (электрооснование) в качестве акцептора протона и красное производное родамина с фенилендиамином (электрокислота) в качестве донора протона. Эти пары светящихся веществ обладают большим квантовым выходом (эффективность флуоресценции) и чистотой цвета эмиссии. Чтобы проверить отсутствие взаимовлияния флуоресценции этих материалов, ученые сняли спектры флуоресценции при разном электрическом напряжении. При напряжении в 1,2 вольта наблюдался четкий пик эмиссии при 585 нанометрах (красный цвет), а при приложении обратного напряжения в −1,2 вольта пик был при 535 нанометрах (зеленый цвет).
В качестве материала с синей флуоресценцией взяли уже используемый политрифениламин — его флуоресценция гасится при приложении положительного напряжения (за счет образования нефлуоресцентного радикала), но в случае отрицательного напряжения погасить его оказалось сложной задачей (иначе синий цвет накладывался бы на зеленый). Для этого ученые добавили электрохромный материал, поглощающий синий свет, — смесь бензохинона и 4-нитрофенола. Таким образом синий цвет оказался базовым при отсутствии электрического напряжения.
После проверки всех материалов по отдельности химики собрали полноценный универсальный пиксель: слой оксида олова с примесью индия использовался в качестве одного из электродов, на него наносились электрофлюорохромные материалы с помощью спин-коатинга, а затем слои прижимались между собой с прослойкой из полиметилметакрилата и гексафторофосфата 1-бутил-3-метилимидазола в качестве слоя проводимости. Полученный пиксель излучал свет синего цвета в промежутке между −1 и 1 вольтом, красный — при напряжениях выше 1 вольта, а зеленый — при напряжениях ниже −1 вольта. Пиксель сохранил качество цвета и после 500 циклов смены, а под ультрафиолетовым излучением в течение пяти часов работа пикселя ухудшилась на 13, 6 и 1 процентов для красного, зеленого и синего цветов соответственно. Однако пока что ученые не разобрались с медленной сменой цвета — синий цвет гасится в течение пяти секунд.
А для демонстрации работоспособности пикселей химики сделали 24-пиксельный дисплей — пиксели размером 1,5 на 1,5 миллиметра были протравлены лазером на подложке из оксида олова с примесью индия (именно так можно будет получать пиксели малого размера). Дисплей успешно показал красную букву R, зеленую букву G и синюю букву B. Более того, положения цветов на хроматической диаграмме показывают высокую контрастность между собой — а потому новые пиксели в будущем смогут улучшить качество изображения.
Пока материаловеды и химики разрабатывают новые материалы для пикселей, специалисты по искусственному интеллекту решают проблему с другой стороны. Три года назад исследователи из проекта Google Brain научили нейросеть додумывать изображение по нескольким пикселям. В десяти процентах случаев люди не могли различить реальную сжатую фотографию знаменитостей от сгенерированной.
Артем Моськин