Kupfer macht organische Leuchtdioden effizienter
Forscher messen erstmals das zugrunde liegende quantenmechanische Phänomen.
Der Einsatz von Kupfer als Leuchtstoff ermöglicht kostengünstige und umweltverträgliche organische Leuchtdioden, kurz OLEDs. Dabei sorgt die thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz für eine hohe Lichtausbeute. Ein internationales Team unter Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie hat nun das zugrundeliegende quantenmechanische Phänomen des Intersystem Crossing in einem Kupferkomplex gemessen.
Abb.: Farbstoffe als Grundlage für organische Leuchtdioden lassen sich dank neuer Einblicke in ihre Quantenmechanik maßschneidern. (Bild: KIT)
OLEDs bestehen aus ultradünnen Schichten organischer Materialien, die als Emitter dienen, zwischen zwei Elektroden. Beim Anlegen einer Spannung werden Elektronen von der Kathode sowie Löcher von der Anode in den Emitter injiziert. Dort treffen Elektronen und Löcher zu gebundenen Elektronen-Loch-Paaren zusammen. Bei diesen Exzitonen handelt es sich um Quasiteilchen im angeregten Zustand. Sie zerfallen anschließend in ihren Ausgangszustand und geben dabei Energie frei.
Allerdings können die Exzitonen zwei verschiedene Zustände annehmen: Singulett-Exzitonen zerfallen sofort wieder und senden Licht aus, während Triplett-Exzitonen ihre Energie als Wärme freigeben. In OLEDs treten gewöhnlich 25 Prozent Singuletts und 75 Prozent Tripletts auf. Um die Energieeffizienz einer OLED zu erhöhen, müssen auch die Triplett-Exzitonen zur Lichterzeugung genutzt werden. Dies geschieht in herkömmlichen organischen Leuchtdioden durch die Beimischung von Schwermetallen wie Iridium oder Platin, die teuer und nur begrenzt verfügbar sind sowie aufwendige Herstellungsverfahren bedingen.
Eine kostengünstigere und umweltverträglichere Möglichkeit besteht im Einsatz von Kupferkomplexen als Emittermaterialien. Dabei sorgt thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF, Thermally Activated Delayed Fluorescence) für hohe Lichtausbeute und damit hohe Effizienz: Triplett-Exzitonen werden in Singlet-Exzitonen verwandelt, die wiederum Photonen aussenden. TADF beruht auf dem quantenmechanischen Phänomen des Intersystem Crossing, einem Übergang von einem elektronischen Anregungszustand in einen anderen mit veränderterer Multiplizität, beispielsweise vom Singulett zum Triplett und umgekehrt. Bei organischen Molekülen bestimmend ist dabei die Spin-Bahn-Kopplung, das heißt die Wechselwirkung des Bahndrehimpulses eines Elektrons in einem Atom mit dem Spin des Elektrons. So lassen sich alle Exzitonen, Tripletts wie Singuletts, zur Lichterzeugung nutzen. Kupfer als Leuchtstoff erreicht mit TADF eine Effizienz von hundert Prozent.
Das Forscherteam hat nun erstmals die Geschwindigkeit des Intersystem Crossing in einem hoch lumineszierenden Kupfer(I)-Komplex in festem Zustand mit thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz gemessen. Als Zeitkonstante für das Intersystem Crossing von Singulett zu Triplett ermittelten die Wissenschaftler 27 Pikosekunden. Der umgekehrte Vorgang – Reverse Intersystem Crossing – von Triplet zu Singulett geht langsamer vonstatten und führt zu einer TADF, die durchschnittlich 11,5 Mikrosekunden anhält. Diese Messungen führen zu einem besseren Verständnis der Mechanismen, die zu TADF führen, und erleichtern damit die gezielte Entwicklung von TADF-Materialien für energieeffiziente OLEDs.
KIT / RK
