Leuchtmittel für große Flächen

Am Paul Scherrer Institut PSI haben Forscher Einblicke in ein neues Material für organische Leucht­dioden (OLEDs) erhalten. Die Substanz ermöglicht hohe Lichtausbeuten und ist kostengünstig im großen Maßstab herzustellen. Dadurch eignet sie sich für einen Einsatz in großflächigen Raum­beleuchtungen. Schon lange sind Forscher auf der Suche nach derartigen Materialien. Das jetzt neu generierte Verständnis wird dabei helfen, neue Leuchtmittel in Zukunft schnell und preisgünstig zu entwickeln. An der aktuellen Arbeit waren neben russischen, polnischen, französischen und dänischen Kollegen auch Wissen­schaftler von der Universität Bremen beteiligt.

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. Der Grund: Die Moleküle nehmen die ihnen zugeführte Energie auf und strahlen sie über Elektro­lumineszenz nach und nach wieder ab. Die grün lumines­zierende Substanz ist ein heißer Kandidat, um OLEDs herzu­stellen, organische Leuchtdioden. Seit etwa drei Jahren finden sich OLEDs beispiels­weise in den Displays von Smartphones. Inzwischen kommen auch die ersten flexiblen Fernseh­bildschirme mit diesen Materialien auf den Markt.

OLEDs machen zudem kosten­günstige, großflächige Raum­beleuchtungen möglich. 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. Das Ziel der aktuellen Forschung ist es, effizientere Materialien für günstigere und umwelt­freundlichere Displays und großflächige Beleuch­tungen zu finden. Preisgünstige und gut verfügbare Metalle wie Kupfer versprechen hier Fort­schritte.

Die Wissenschaftler haben jetzt die kupfer­haltige Verbindung CuPCP, einen metall­organischen Kupfer-Cluster, genauer untersucht. In der Mitte der Moleküle sitzen jeweils vier Kupferatome, umgeben von Kohlenstoff- und Phosphoratomen. Die Verbindung selbst lässt sich gut in großen Mengen herstellen. „Wir wollten verstehen, wie der angeregte Zustand der Verbindung aussieht“, sagt Grigory Smolentsev, Physiker in der PSI-Forschungs­gruppe Operando-Spektro­skopie. Also 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“, sagt Smolentsev, „und das zeigt uns, wie wir diese Verluste vielleicht minimieren können.“

Mit der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und dem Freie-Elektronen-Röntgen­laser SwissFEL − sowie der European Synchrotron Radiation Facility im französischen Grenoble nahmen die Forscher um Smolentsev die kurz­lebigen angeregten Zustände der Kupfer­verbindung unter die Lupe. 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 3-D-Struktur verändert sich bei einer Anregung nur wenig. Jetzt ließe sich die Substanz für den Einsatz in OLEDs optimieren.

Zudem helfen die experi­mentellen Daten, die theo­retischen Berechnungen von Molekülen zu verbessern. „So lässt sich in Zukunft besser voraus­sagen, welche Verbindungen für OLEDs geeignet sind und welche weniger“, sagt Grigory Smolentsev. „Die Messdaten helfen zu verstehen, welcher Teil des Moleküls einer hohen Effizienz im Weg steht. Und wie sich die Verbindung verbessern lässt, um ihre Licht­ausbeute zu erhöhen.“

PSI / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. Smolentsev et al.: Taking a snapshot of the triplet excited state of an OLED organometallic luminophore using X-rays, Nat. Commun. 11, 2131 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-15998-z
• Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie, Universität Bremen
• Operando Spektroskopie, Paul Scherrer Institut, Villigen