Liegende Moleküle leuchten besser

Die räumliche Orientierung der Moleküle ist eine essenzielle Schlüssel­eigenschaft in der organischen Elektronik. Die spezifische Ausrichtung der Moleküle beeinflusst wichtige Parameter organischer optoelektronischer Bauteile, wie z. B. die elektrischen Transport­eigenschaften oder auch die Absorption und die Emission von Licht. Deshalb ist die Orientierung von organischen Farbstoff­molekülen gerade im Bereich der organischen Leuchtdioden (OLEDs) in den letzten Jahren immer stärker zum Gegenstand intensivierter Forschung geworden. Wissenschaftler aus Augsburg und Los Angeles haben nun den Orientierungsprozess von phosphoreszenten organo-metallischen Komplexen untersucht und können damit eine signifikante Steigerung der Effizienz von OLEDs in Aussicht stellen.

Die Forschungsgruppe „Organische Halbleiter“ von Wolfgang Brütting am Lehrstuhl Experimental­physik IV der Universität Augsburg hat früh Pionierarbeit auf dem Gebiet der Orientierung organischer Farbstoffmolekülen im OLED-Kontext geleistet. Bereits 2011 konnte sie in Kooperation mit einer Forschergruppe an der japanischen Kyushu University erstmals nachweisen, dass organische Farbstoffmoleküle, die unter Vakuums­bedingungen zusammen mit einem Wirtsmaterial durch einen thermischen Aufdampf­prozess als dünne Schicht auf eine Substrat­oberfläche aufgebracht werden, sich nicht zufällig, sondern ausgeprägt liegend in der Schichtebene orientieren. Die räumliche Verteilung der Lichtemission solcher organischen Farbstoffe ähnelt derjenigen eines klassischen elektrischen Dipols, die vor allem senkrecht zu ihrer Achse abstrahlt. Dies bringt enorme Vorteile für die Lichtausbeute und erweist sich damit als ein vielversprechendes Konzept der Effizienz­steigerung von OLEDs.

Seit dieser Entdeckung haben Brütting und seine Arbeitsgruppe nicht nur eine inzwischen etablierte Untersuchungs­methode entwickelt, um die räumliche Orientierung der sogenannten Übergangsdipolmomente, die für die Emission und Absorption von Licht verantwortlich sind, in Abhängigkeit der Substrat­oberfläche zu bestimmen; zusammen mit Forschern des Fraunhofer-Instituts in Jena und der OSRAM OLED GmbH in Regensburg haben sie erstmals auch die anisotrope, vorwiegend horizontale Orientierung im Falle eines phosphoreszenten Iridium-Komplexes nachweisen können. Aufgrund der enormen, bis zur Verdopplung reichenden Steigerung der Effizienz, die mit der horizontalen Orientierung der Farbstoffmoleküle möglich wird, haben die Forscher seither intensiv die mögliche Beeinflussung und die zugrunde­liegenden Mechanismen der ungleichmäßigen, horizontalen Orientierung untersucht.

Ein großes Hindernis bei diesen Untersuchungen war der Umstand, dass die Orientierung der Farbstoffmoleküle in den mit ihnen dotierten organischen Schichten sich nicht direkt bestimmen lässt, sondern dass vielmehr lediglich die räumliche Verteilung der strahlenden Übergangs­dipol­momente aller Farbstoffmoleküle erkennbar ist. Deshalb war es bisher nicht möglich, die molekulare Orientierung mit den Ergebnissen der räumlichen Emissions­intensitäts­verteilung zu verknüpfen. Eine solche Verknüpfung ist aber wiederum eine unverzichtbare Voraussetzung, um die molekulare Orientierung gezielt beeinflussen zu können.

Jetzt ist es den Augsburger Physikern um Brütting und seinem Mitarbeiter Tobias Schmidt in Kooperation mit Forschern der University of Southern California in Los Angeles gelungen, anhand von Untersuchungen spezieller phosphoreszenter, organo-metallischer Iridium-Komplexe einen entscheidenden Schritt bei der Lösung des Problems weiter zu kommen. Sie konnten nicht nur zwei bisherige Theorien durch die geschickte Synthese verschiedener Moleküle und der anschließenden Bestimmung der Orientierung ihrer Übergangs­dipol­momenten bei unterschiedlichen Dotier­konzentrationen widerlegen, sondern zugleich auch eine neues Modell der Orientierungs­mechanismen präsentieren.

Dieses Modell macht es möglich, die gemessene Orientierung der Übergangs­dipol­momente direkt mit der Orientierung der Moleküle zu verknüpfen. Grundlage des Modells ist dabei die Grenzfläche zwischen der organischen (aromatischen) Matrix und dem Vakuum, die beim Schichtwachstum entsteht. Die bisher gefundenen phosphoreszenten Iridium-Komplexe mit anisotroper Orientierung in OLEDs besitzen alle sowohl aromatische als auch nicht-aromatische – sogenannte aliphatische – Bereiche in ihrer Molekülstruktur. Während des Aufdampfens auf das Substrat­material orientieren sich die Farbstoffmoleküle mit ihren aliphatischen Bereichen zur Vakuumseite an der Oberfläche der aufwachsenden Schicht. Durch die Kenntnis der Lage der Übergangs­dipol­momente auf dem Farbstoffmolekül lässt sich die molekulare Orientierung mit der messbaren, auf die Substratoberfläche bezogenen räumlichen Verteilung der Übergangs­dipol­momente in unmittelbare Beziehung setzen.

„Wir können damit nun auch Vorhersagen zur Orientierung beliebiger organo-metallischer Iridium-Moleküle machen, die es erlauben, das Design dieser Farbstoffe so zu gestalten, dass die Effizienz von OLEDs deutlich gesteigert werden kann“, erläutert Brütting und ist überzeugt: „Damit sind wir auf dem Weg zu effizienteren, lichtstärkeren OLEDs einen entscheidenden Schritt weitergekommen.“

U. Augsburg / DE