Materialien für organische LEDs finden Was leuchtet in den Lampen der Zukunft?

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Paul Scherrer Institut Benoit Stef

Organische Leuchtdioden können in dünnen, flexiblen Schichten hergestellt werden und so etwa in biegsamen Displays zum Einsatz kommen. Wenn man effizientere OLEDs realisiert, könnten auch ganz neue Raumbeleuchtungen daraus entstehen. Forscher des Paul-Scherrer-Instituts haben nun einen vielversprechenden Kandidaten mit hohen Lichtausbeuten identifiziert. Ihre Erkenntnisse könnten auch helfen, weitere OLED-Materialien leichter vorherzusagen.

Villigen/Schweiz – Organische Leuchtdioden sind seit etwa drei Jahren auf dem Markt und finden sich beispielsweise in den Displays von Smartphones. Sie nutzen spezielle Moleküle, die durch elektrischen Strom angeregt werden und einen Teil dieser Energie in Form von Licht wieder abstrahlen. So könnten OLEDs u.a. auch kostengünstige großflächige Raumbeleuchtungen ermöglichen. Allerdings muss man dafür zunächst die passenden Materialien finden.

Denn viele für OLEDs in Frage kommende Substanzen enthalten teure Metalle wie Iridium, was ihre Anwendung in großem Maßstab und auf ausgedehnten Flächen verhindert. Ohne solche Zusätze können die Materialien aber nur einen kleinen Teil der ihnen zugeführten Energie tatsächlich als Licht abstrahlen, der Rest geht beispielsweise als Schwingungsenergie verloren.

Forscher suchen daher effizientere Materialien für kostengünstigere und umweltfreundlichere Displays und großflächige Beleuchtungen. Hierbei ist Kupfer in den Fokus von Wissenschaftlern des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) gerückt. Sie haben die kupferhaltige Verbindung CuPCP untersucht und auf Eignung in OLEDs hin analysiert.

Günstiges Metall als Leuchtstoff

In der Mitte der CuPCP-Moleküle sitzen jeweils vier Kupferatome, umgeben von Kohlenstoff- und Phosphoratomen. Kupfer ist ein relativ günstiges Metall, und die Verbindung selbst lässt sich gut in großen Mengen herstellen – ideale Voraussetzungen für einen großflächigen Einsatz als Leuchtmittel.

„Wir wollten verstehen, wie der angeregte Zustand der Verbindung aussieht“, sagt der PSI-Physiker Grigory Smolentsev. Sprich: Wie verändert sich die Substanz, wenn sie Energie aufnimmt? Ändert sich dabei beispielsweise die Struktur des Moleküls? Wie verteilt sich nach der Anregung die Ladung auf die einzelnen Atome? „Das verrät uns, wie hoch vermutlich die Energieverluste sind, die nicht als Licht frei werden. Und das zeigt uns, wie wir diese Verluste vielleicht minimieren können,“ ergänzt der Forscher.

Nachhaltiges Leuchten

Knicklichter aus Leuchtpilzen

Gelbes Pulver – grünes Licht

Mit zwei Großforschungsanlagen am PSI – der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL − sowie der European Synchrotron Radiation Facility im französischen Grenoble nahm das Team um Smolentsev die kurzlebigen angeregten Zustände der Kupferverbindung unter die Lupe. Die Verbindung ist ein gelblicher Feststoff. Löst man sie in einer Flüssigkeit oder bringt eine dünne Schicht davon auf einer Elektrode auf und legt dann einen elektrischen Strom an, leuchtet sie intensiv grün.

Die Messungen bestätigten, dass die Substanz aufgrund ihrer chemischen Struktur ein guter Kandidat für OLEDs ist. Die quantenchemischen Eigenschaften der Verbindung machen eine hohe Lichtausbeute möglich. Ein Grund dafür: Das Molekül ist relativ steif und seine 3D-Struktur verändert sich bei einer Anregung nur wenig. Jetzt können Wissenschaftler beginnen, die Substanz für den Einsatz in OLEDs weiter zu optimieren.

Bessere Vorhersage von OLED-Kandidaten

Die experimentellen Daten aus den Synchrotron-Messungen helfen zudem dabei, die theoretischen Berechnungen von Molekülen zu verbessern. „So lässt sich in Zukunft besser voraussagen, welche Verbindungen für OLEDs geeignet sind und welche weniger“, sagt PSI-Forscher Smolentsev. „Die Messdaten helfen den Chemikern und Chemikerinnen zu verstehen, welcher Teil des Moleküls einer hohen Effizienz im Weg steht. Und natürlich: wie sich die Verbindung verbessern lässt, um ihre Lichtausbeute zu erhöhen.“

Originalpublikation: G. Smolentsev, C. Milne, A. Guda, K. Haldrup, J. Szlachetko, N. Azzaroli, C. Cirelli, G. Knopp, R. Bohinc, S. Menzi, G. Pamfilidis, D. Gashi, M. Beck, A. Mozzanica, D. James, C. Bacellar, G. Mancini, A. Tereshchenko, V. Shapovalov, W. Kwiatek, J. Czapla-Masztafiak, A. Cannizzo, M. Gazzetto, M. Sander, M. Levantino, V. Kabanova, M. Olaru, M. Vogt: Triplet excited state of organometallic luminophore for OLEDs probed with pump-probe X-ray techniques, Nature Communications 11, Article number: 2131, 1. Mai 2020 ; DOI: 10.1038/s41467-020-15998-z

* B. Osterath, Paul-Scherrer-Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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