Organisko materiālu laboratorija

Laboratorijā tiek pētīti organiskie materiāli elektronikai un fotonikai. Ilgu gadu desmitu garumā ir atstrādātas tehnoloģijas enerģijas līmeņu un gaismas un tumsas vadītspējas noteikšanai, kas ļauj iegūt amorfu un polikristālisku organisko materiālu vispārēju elektrisko īpašību raksturojumu, kas tālāk ļauj spriest par to pielietojamību organiskajā elektronikā. Laboratorijā tiek pētītas arī optiskās (piemēram, absorbcijas un emisijas) īpašības, un nelineāri optiskās īpašības organiskiem savienojumiem šķīdumā.

Kvantu ķīmiskie aprēķini ir viens no laboratorijā attīstītajiem virzieniem, kas ļauj izprast molekulas struktūras ietekmi uz vielas optiskajām un elektriskajām īpašībām pirms to sintēzes. Padziļināti tiek pētīti molekulu enerģētiskie līmeņi, elektronu pārejas enerģijas un gaismas mijiedarbība ar molekulu.

Laboratorijā ir daudzu gadu pieredze plānu kārtiņu izveidošanā ar termiskās iztvaicēšanas vakuumā un šķīdumu uznešanas (rotējošā diska, novilkšanas, iemērkšanas) metodēm. Šādām kārtiņām tiek mērīta molekulu jonizācijas enerģija ar fotoelektronu emisijas spektroskopijas metodi. Papildus, izmantojot iekšējās fotovadāmības spektrālos mērījumus, ir iespējams noteikt savienojuma elektrontieksmi. Plānām kārtiņām tiek noteiktas arī elektriskās īpašības, kā vadāmība ar četru kontaktu metodi un lādiņnesēju kustīgums ar caurplūdes laika metodi.

Liela uzmanība tiek pievērsta optisko īpašību pētījumiem. Plānām kārtiņām ir iespējams noteikt absorbcijas spektru, emisijas spektru un dzīves laiku pie dažādām temperatūrām, kā arī fotoluminescences kvantu iznākumu. Šāda informācija ļauj izprast organisko savienojumu pielietojamību organiskajās gaismu emitējošajās diodēs, gaismu emitējošajās elektroķīmiskajās šūnās un cietvielu lāzeros. Laboratorijā ir visa nepieciešamā infrastruktūra, lai varētu izveidot iepriekšminēto organisko gaismu emitējošo diožu struktūras un veiktu to spektrālo un efektivitātes raksturošanu inertā atmosfērā. Visi pieminētie optisko īpašību pētījumi ir nozīmīgi, lai izprastu organisko materiālu pielietojamību gaismas pastiprinošās sistēmās, it īpaši organiskajos cietvielu lāzeros. Mums ir iespēja veikt pastiprinātās spontānās emisijas pētījumus ar mainīgās līnijas metodi. 

Organisko vielu nelineāri optiskās aktivitātes pētījumos laboratorijai ir vairāk nekā 30 gadu pieredze. Pētījumi notiek gan šķīdumiem, gan plānajām kārtiņām. Tiek noteikti optiskā Kerra efekta un divfotonu absorbcijas raksturlielumi, kas ļauj atlasīt vielas pielietošanai optiskajos slēdžos un aizsargpārklājumos. Vislielākā pieredze ir otrās kārtas optiskās nelinearitātes pētījumos, kas ietver elektro-optiskā efekta, hiperreleja izkliedes un otrās harmonikas ģenerēšanas mērījumus. Šie pētījumi ļauj atlasīt vielas un materiālus pielietošanai elektro-optiskajos modulatoros (elektrisko signālu pārveidošanai optiskajos), optiskajā taisngriešanā, frekvenču maiņai un citur. Mērījumi notiek, apstarojot vielu cietā vai šķidrā šķīdumā ar lāzera gaismu.

Ar minētajiem virzieniem kā praktisks aspekts ir saistīti viļņvadu struktūras pētījumi, kad tiek teorētiski modelētas un ar optiskās litogrāfijas palīdzību iegūtas sarežģītas optiskās struktūras.

Laboratorijā notiek arī termoelektriskā efekta pētījumi. Tas ietver Zēbeka koeficienta, siltuma vadāmības un elektriskās vadāmības pētījumus. Turklāt visus parametrus ir iespējams noteikt uz viena parauga, kas ļauj daudz precīzāk raksturot termoelektriskā ģeneratora efektivitāti.

Saules enerģijas konversija uz elektrisko enerģiju ir vēl viens laboratorijas pētījumu virziens. Tas ir saistīts kā ar klasiskām organiskajām saules šūnām, tā arī ar perovskītu saules šūnām. Laboratorijā ir pieredze un infrastruktūra šādu saules šūnu izveidē un raksturošanā.

Nesenais laboratorijas attīstītais virziens ir organiskie lauka efekta tranzistori. Tiek gan veidoti paši tranzistori, gan arī notiek to raksturošana.

Aktīvie projekti:

COST starptautiskie projekti

Pētniecība un starptautisks tīkls par jauniem neorganiskiem halkogenīdiem fotoelementiem (RENEW-PV) (2022-2026)

EraNet

Komerciāli dzīvotspējīga un augstas efektivitātes universāli draudzīga OLED apgaismojuma avota ar G2 un G3 izstarotājiem iespējošana (2020-2023)

LZP granti

Daudzslāņu organisko materiālu pārejas slāņu nesagraujoši pētījumi augstas veiktspējas OLED izstrādei (2023-2025)

Stiklu veidojošu zemas molekulmasas savienojumu izmantošana ilgstspējīgu termoelektrisko hibrīdsistēmu attīstībai (2024-2026)

Trīskomponenšu organisko Saules bateriju attīstīšana izmantojot oriģinālus indacēna tetraonu saturošus nefullerēna akceptorus (2023-2025)

Apvārsnis Eiropa

Ceļā uz kvantu fotonikas izcilības centru Latvijā (ToEQPL)

Realizētie projekti:

Eiropas komisijas ietvara programmas

EK 7. IP H2ESOT (2013-2015)

ERAF

Nākošās paaudzes agregācijas inducētās emisijas luminogēni kā mākslīgās gaismas avoti (2019-2022)

Gaismu emitējošu un ar šķīdumu metodēm apstrādājamu organisku molekulāro stiklu dizains un pētījumi (2017-2020)

Oriģinālu organisko materiālu iespēju demonstrēšana fotonisko ierīču prototipos: OFIP (2017-2020)

Materiāli un to struktūras tandēma saules šūnām (2010-2013)

Polimēru elektro-optiskā modulatora prototipa izstrāde (2011-2013)

ERAF projekti (LIAA administrētie)

LATOLED (2018-2021)

Termoelektriskais starojuma sensors (2018-2021)

ESF projekti

Fotonikā izmantojamu stiklveida organisku mazmolekulāru materiālu dizains un pētījumi (2013-2015)

Francijas–Latvijas sadarbības programma „OSMOZE”

Virsmas plazmonu uzlabota organisko materiālu pastiprinātā spontānā emisija (2020-2021)

Taivānas-Latvijas-Lietuvas zinātniskās sadarbības fonda projekti

Jauni TADF materiāli un sistēmas arhitektūra, lai uzlabotu OLED veiktspēju (2019-2021)

Polimērie izstarotāji ar kontrolējamu termiski aktivēto aizturēto fluorescenci no šķīdumiem iegūstamajiem OLED. (PoliTAAFs) (2019-2021)

Efektīvās un uzticamās optoelektroniskās ierīcēs izmantojamu organisku elektroaktīvu materiālu sintēze un izpēte (2013-2015)

LZP granti

Augšup-pārveidotās luminiscences izmantošana fotolitogrāfijā organiskajiem materiāliem savienojumā ar nanodaļiņu un fotorezista kompozītu (2020-2022)

Karbēna-metāla-amīda kompleksu strukturāla modifikācija termiski aktivētas aizturētās fluorescences zilās gaismas OLED emiteru ieguvei (2020-2022)

Organisku-neorganisku hibrīdsistēmu izstrāde rentgenstarojuma detektēšanai (2020-2022)

Virsmas plazmonu rezonanses uzlabota gaismas pastiprināšana un modulēšana organiskajās plānās kārtiņās (2020-2022)

Laika un polarizācijas atkarīgas kerra spektroskopijas pilnveidošana (2020-2021)

Valsts pētījumu programmas

Daudzfunkcionālie Materiāli un kompozīti, fotonika un nanotehnoloģijas (IMIS2) (2014-2018)

Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts

Organisko gaismas emitējošo diožu izveide no smago metālu brīva emisijas savienojuma (2021-2023)

Termiski aktivētas aizturētās fluorescences materiāli efektīvām zilās gaismas OGID (2017-2020)

EEZ un Norvēģijas granti

Daļēji caurspīdīgu divpusēju plāno kārtiņu saules bateriju izstrāde inovatīviem pielietojumiem (2021-2023)

Pēdējo gadu laikā laboratorijā veiksmīgi ir veikti organisko materiālu pētījumi dažādiem pielietojumiem. Par vienu no svarīgākajiem var tikt uzskatīti elektro-optiskie un optiski-optiskie modulatori, organiskās gaismu emitējošās diodes un lāzeri, kā arī termoelektriskie ģeneratori. Katrs no pētniecības novirzieniem tiek veikta Eiropas Reģionālās attīstības fonda vai Eiropas Pētniecības programmas ietvaros. Laboratorija ir uzsākusi dažus projektus ar mērķi izmantot iepriekš iegūtās zināšanas, lai izstrādātu vismaz TRL6 līmeņa prototipu turpmākai komercializācijai. Nozīmīgākie sasniegumi katrā jomā ir sekojoši.

Viens no izaicinošākajiem aspektiem nelineāri optisko (NLO) īpašību pētniecības jomā ir korekta dažādu NLO efektu koeficientu novērtēšana. Pēdējos gados mūsu zinātniskā grupa publicēja darbu par plānu kārtiņu elektro-optiskā koeficienta mērījumiem un to, kā atdalīt vairākkārtīgas iekšējās atstarošanās un pjezo vai elektrostriktīvu biezuma izmaiņu ietekmi. Turklāt mēs esam virzījušies uz ierīču veidošanu izmantojot jaunus organiskos materiālus, pamatojoties uz mūsu veiktajiem materiālu struktūras-īpašību pētījumiem NLO pielietojumiem. Mēs jau esam demonstrējuši organisko elektrisko optisko viļņvadu slēdzi un virzāmies uz pilnīgi optiskām organiskajām ierīcēm.

Laboratorijā vairāk uzmanības tiek pievērsta no šķīduma izveidojamām organisko gaismas emitējošām diodēm (OLED) un gaismas pastiprinošām sistēmām. Pētījuma priekšmets ir molekulārie stikli, kuros telpiskās grupas ir pievienotas molekulas aktīvajai daļai. Šāda pieeja samazina molekulu savstarpējo mijiedarbību, un uzlabo plāno kārtiņu optiskās īpašības. Mēs esam parādījuši gaismas emisijas iespēju tīrā kārtiņā, kur emisija pilnībā tiek dzēsta savienojumiem bez telpiskām grupām. Tā rezultātā tika iegūtas sarkanās gaismas izstarojošas lāzera krāsvielas, kuru pastiprinātās spontānās emisijas ierosmes sliekšņa enerģija neatšķaidītās kārtiņās ir zemākas par 25 mJ/cm² un zemāk par 10 mJ/cm² viesu-saimnieka sistēmās. Molekulārie stikli arī atvieglo OLED izveidošanu un uzlabo ierīces veiktspēju. Jaunākajos darbos mēs esam parādījuši uzlabotas OLED īpašības, kas gatavotas no metāla kompleksiem – molekulārajiem stikliem, salīdzinot ar tā analogiem. Turklāt tika parādīta specifiska mijiedarbība starp telpiskām grupām, kā rezultātā veidojās kristāli ar augstu gaismas emisijas efektivitāti.

Mēs esam demonstrējuši, ka ar attiecīgu leģēšanu ir iespējams iegūt termoelektriski aktīvas organisko materiālu plānās kārtiņas gan ar p, gan n-tipa vadītspēju. Esam ieguvuši p-tipa TTT jodīda kārtiņas ar jaudas faktoru 0.52 μW m⁻¹K⁻² un n-tipa TTT:TCNQ kārtiņas ar jaudas faktoru 0.33 μW m⁻¹K⁻². Šis sasniegums ir ļāvis demonstrēt planāra tipa organisko materiālu plānu kārtiņu termoelektriskā ģeneratora konceptu, kas darbojas temperatūrās tuvu istabas apstākļiem.  Esam izveidojuši paraugu pagatavošanas un mērījumu darba plūsmu, kas ļauj noteikt galvenos TE parametrus (Zēbeka koeficientu, elektrisko un siltumvadītspēju) vienā paraugā, tā samazinot kļūdas aprēķinot jaudas faktorus un labuma faktoru ZT materiāliem. Esam izveidojuši procedūru potenciālo mazmolekulāro materiālu atlasei termoelektrisko ģeneratoru izveidei, izmantojot mazu vielas daudzumu, radot iespēju atlasīt oriģinālus jaunsintezētus materiālus.

Daudzu gadu pieredzes kvantu ķīmiskajos aprēķinos rezultāts ir liels informācijas apjoms. Vairāk nekā 500 pārsvarā oriģināliem savienojumiem tika izrēķināti dažādi kvantu ķīmiskie raksturojumi (molekulu ģeometrijas un lādiņi uz atomiem, polarizējamības un hiperpolarizējamības, optiskie absorbcijas un luminiscences spektri, jonizācijas enerģijas un elektrontieksmes), kuri ir apkopoti datubāzē. Nākotnē šī datubāze tiks padarīta publiski pieejama. Turklāt šo pētījumu laikā mēs uzkrājām zināšanas par aprēķinu metožu izvēli dažādiem rezultātu tipiem, balstoties uz statistiskajiem apsvērumiem (efektos sadalīšanas metodoloģija); daļa no šīs pieredzes tika arī publicēta.

Latvijā:

• Rīgas Tehniskā universitāte;
• Organiskās sintēzes institūts;
• Fizikālās enerģētikas institūts;
• Daugavpils Universitāte.

Lietuvā:

• Viļņas Universitāte (prof. S. Juršēns);
• Kauņas Tehnoloģiju universitāte (prof. J. V. Gražulēvičs, prof. S. Grigalēvičs un prof. Vytautas Getautis);
• Fizikas zinātņu un tehnoloģiju centrs (prof. L. Valkūns un prof. V. Gulbins).

Ķīnas Republika:

• Nacionālā Suņa Jisjeņa Universitāte (Dr. L. Čeņs);
• Nacionālā Cjinhua Universitāte (prof. Dz. Dzou).

Francija:

• Parīzes Nanozinātņu institūts (prof. N. Vitkovskis);
• Trojas Tehnoloģiju universitāte (prof. P. M. Adams).

Lielbritānija:

• Notingemas Universitāte (prof. S. Vudvords).

Vācijā:

• Jūlija Maksimiliāna Vircburgas Universitāte (prof. J. Pflaums).

Bulgārija:

• Bulgārijas Zinātņu akadēmijas Organiskās ķīmijas institūts (prof. V. Dimitrovs).

Moldova:

• Moldovas Tehniskā universitāte (prof. A. Kasjans).

Igaunija:

• Tallinas Tehnoloģiskā universitāte (Ilona Oja Acik)

Norvēģija:

• Enerģijas Tehnoloģijas institūts (Smagul Karazhanov)

V. V. Kim, A. Bundulis, V. S. Popov, N. A. Lavrentyev, A. A. Lizunova, I. A. Shuklov, V. P. Ponomarenko, J. Grube, R. A. Ganeev, Third-order optical nonlinearities of exfoliated Bi2Te3 nanoparticle films in UV, visible and near-infrared ranges measured by tunable femtosecond pulses, Opt. Express, 2022, 30, 6970-6980. DOI: 10.1364/OE.449490

A. Bundulis, J. Mikelsone, M. Rutkis, Impact of silver nanoparticle two-photon resonance on Kerr effect of organic dye solutions, J. Opt. Soc. Am. B, 2022, 39, 22-31. DOI: 10.1364/JOSAB.440997

K. Traskovskis, A. Sebris, I. Novosjolova, M. Turks, M. Guzauskas, D. Volyniuk, O. Bezvikonnyi, J. V. Grazulevicius, A. Mishnev, R. Grzibovskis A. Vembris, All-organic fast intersystem crossing assisted exciplexes exhibiting sub-microsecond thermally, activated delayed fluorescence, J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 4532-4543. DOI: 10.1039/d0tc05099g

E. Zarins, J. Pervenecka, E. Misina, O. Bezvikonnyi, A. Vembris, K. Balodis, D. Volyniuk, J. V. Grazulevicius, V. Kokars, HAPPY Dyes as Light Amplification Media in Thin Films, J. Org. Chem., 2021, 86(4), 3213–3222. DOI: 10.1021/acs.joc.0c02574

A. Ruduss, V. Kokars, N. Tetervenoka, A. Vembris, K. Traskovskis, Effects of steric encumbrance of iridium(III) complex core on performance of solutionprocessed organic light emitting diodes, RSC Adv., 2020, 10, 27552-27559. DOI: 10.1039/d0ra04652c

A. Bundulis, I. Mihailovs, M. Rutkis, Origin of the Kerr effect: investigation of solutions by polarization-dependent Z-scan, J. Opt. Soc. Am. B, 2020, 37, 1806-1811. DOI: 10.1364/JOSAB.389520

E. Nitiss , A. Bundulis, A. Tokmakovs, J. Busenbergs, M. Rutkis, All-Organic Waveguide Sensor for Volatile Solvent Sensing, Photonic Sens. 2019, 9, 356–366. DOI: 10.1007/s13320-019-0543-z

K. Pudzs, A. Vembris, M. Rutkis, S. Woodward. Thin Film Organic Thermoelectric Generator Based on Tetrathiotetracene. Adv. Electron. Mater., 2017, 3(2), 1600429. DOI: 10.1002/aelm.201600429

A. Vembris, E. Zarins, V. Kokars. Stimulated emission and optical properties of pyranyliden fragment containing compounds in PVK matrix. Opt. Laser Technol., 2017, 95, 74–80. DOI: 10.1016/j.optlastec.2017.04.021

E. Nitiss, A. Tokmakovs, K. Pudzs, J. Busenbergs, M. Rutkis. All-organic electro-optic waveguide modulator comprising SU-8 and nonlinear optical polymer. Opt. Express, 2017, 25(25), 31036–31044.  DOI: 10.1364/OE.25.031036

E. Nitiss, E. Titavs, K. Kundzins, A. Dementjev, V. Gulbinas, M. Rutkis. Poling induced mass transport in thin polymer films. J. Phys. Chem. B, 2013, 117(9), 2812–2819. DOI: 10.1021/jp310961a

K. Traskovskis, I. Mihailovs, A. Tokmakovs, A. Jurgis, V. Kokars, M. Rutkis. Triphenyl moieties as building blocks for obtaining molecular glasses with nonlinear optical activity. J. Mater. Chem., 2012, 22(22), 11268–11276. DOI: 10.1039/c2jm30861d

I. Muzikante, V. Parra, R. Dobulans, E. Fonavs, J. Latvels, M. Bouvet. A novel gas sensor transducer based on phthalocyanine heterojunction devices. Sensors, 2007, 7(11), 2984–2996, DOI: 10.3390/s7112984

E. A. Silinsh, V. Čápek. Organic Molecular Crystals. Interaction, Localization and Transport Phenomena. American Institute of Physics, 1994, 250p.

1. Method for producing emission layer based on compounds of rare-earth elements and organic light-emitting diodes, RU2657497C1, 14.06.2018
2. Light-emitting diode with an emission layer on the basis of compounds of rare earth elements, WO2018208186A1,  15.11.2018
3. Indandiona atvasinājumu MeSBI ietveroša tilpuma heteropārejas fotojūtīga kārtiņa organiskiem saules elementiem un gaismas sensoriem, tās izgatavošanas paņēmiens” LV15056B, 20.03.2016
4. Polēts nelineārs polimēru materiāls, LV14949A, 20.01.2015
5. Plānu polimēra kārtiņu ierobežotas virsmas laukuma polarizēšanas ierīce un paņēmiens, LV14755A, 20.11.2013