Funktionsweise organischer Leuchtdioden Molekül-Geheimnis von OLEDs aufgedeckt

In OLED-Bildschirme sorgen Farbstoffmoleküle für buntes Licht. Wie der Molekülaufbau zum Leuchten designt sein muss, haben Forscher der Uni Wien mit Computersimulationen untersucht.

Ob in Smartphones, Computern oder TV-Geräten: Organische Leuchtdioden (OLEDs) bringen die Bildschirme von unterschiedlichster moderner Technik zum Leuchten. Verglichen mit herkömmlichen, anorganischen LEDs sind diese flexibler, kostengünstiger und nachhaltiger herzustellen. Dabei beinhalten sie Farbstoffmoleküle, in die mittels elektrischer Halbleiter positive und negative Ladungen eingebracht werden. Die Kombination der gegensätzlichen Ladungen in den Farbstoffmolekülen gibt diesen extra Energie, die durch Ausstrahlen von Lichtteilchen wieder abgeben werden kann. So werden OLEDs zum Leuchten gebracht.

Modell für bessere organische Halbleiter

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Für einen kommerziellen und nachhaltigen Nutzen ist dabei eine effiziente Energieumwandlung besonders wichtig. „OLED-Farbstoffe der dritten Generation sind dabei führend in der Leuchteffizienz“, sagt Leticia González, Leiterin des Instituts für Theoretische Chemie der Universität Wien. „Bei ihnen gelingt es mittels der so genannten thermisch-aktivierten verzögerten Fluoreszenz (TADF), nahezu alle Ladungskombinationen zum Leuchten zu nutzen.“ Um diese OLEDs nun noch weiter zu verbessern, hat sich das Team um González Prozesse genauer angeschaut, die nach der Ladungskombination in den Farbstoffen stattfinden.

Wie Elektronen und Atomkerne OLEDs zum Leuchten bringen

Die Forscher analysierten das Verhalten von effizienten TADF-basierten OLED-Farbstoffen (Emittern) mithilfe von Computersimulationen. „So konnten wir den – simulierten – Bewegungen der Atomkerne und Elektronen in den Farbstoff-Molekülen sehr detailliert folgen und wichtige Aspekte des Leuchtmechanismus erforschen“, erklärt Studien-Erstautor Patrick Zobel.

Die untersuchten Farbstoffmoleküle gehörten dabei zu einer Klasse von TADF-Emittern, die aus zwei organischen Molekülteilen bestehen, die mittels eines Kupfer-Atoms verbunden sind. Bisher war die Annahme, dass nur die zwei organischen Molekülteile in der Ladungskombination und dem Leuchtprozess involviert sind. „In unseren Computer-Simulationen wurde die zentrale Rolle des verbrückenden Kupfer-Atoms im Farbstoff jedoch klar“, berichtet Mitautorin Anna Wernbacher. „Das Atom ist notwendig, um die Elektronen von ihrer ursprünglichen Anordnung nach der Ladungskombination zu ihrer finalen Anordnung für den Leuchtprozess zu bringen.“

Gleichzeitig – so zeigten die Simulationen – rotieren die Atomkerne der organischen Molekülteile um die Achse des verbindenden Kupfer-Atoms. Die Studie rückt damit das Zusammenspiel der Kupfer-Atome und der organischen Molekülteile für die Weiterentwicklung von TADF-basierten OLED-Farbstoffen in den Fokus – und wirft so ein neues Licht auf mögliche Optimierungen zukünftiger OLEDs. (clu)

Originalpublikation: J. Patrick Zobel, Anna Wernbacher und Leticia González: Efficient Reverse Intersystem Crossing in Carbene-Copper-Amide TADF Emitters via an Intermediate Triplet State, Angewandte Chemie/Angewandte Chemie International Edition, e202217620 (2023); DOI: 10.1002/ange.202217620

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