Nanostrukturen befreien Photonen

Organische Leuchtdioden – kurz OLEDs – haben dank intensiver Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten den Elektronikmarkt immer weiter erobert. Im Fokus der aktuellen OLED-Forschung steht die Effizienz­steigerung von weißen OLEDs für Beleuchtungselemente. Da Leuchtdioden grundsätzlich nur monochromatisches Licht erzeugen, benutzen die Hersteller für die Erzeugung von weißem Licht verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung. Seit der ersten Entwicklung von weißen OLEDs in den 1990er Jahren gab es zahlreiche Bemühungen, ein ausgeglichenes Weißspektrum und hohe Leuchtkraft bei einer praktikablen Leuchtdichte zu erreichen. Jedoch liegt die externe Quanteneffizienz für weiße OLED-Bauelemente ohne zusätzliche Auskopplungs­techniken heute immer noch bei nur zwanzig bis vierzig Prozent. Ungefähr zwanzig Prozent der erzeugten Photonen bleiben in der Glasschicht des Bauelementes gefangen. Schuld daran ist die interne Total­reflektion an der Grenzfläche zwischen Glas und Luft. Weitere Photonen werden in den organischen Schichten – ähnlich wie in Glasfaser­kabeln – geleitet, wieder andere gehen an der Grenzfläche zur oberen Metallschicht verloren.

 

In zahlreichen Forschungsvorhaben versuchen Experten, die gefangenen Photonen aus den OLEDs zu befreien. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Simone Lenk und Sebastian Reineke von der TU Dresden hat jetzt eine neue Methode zur Befreiung der Photonen vorgestellt.
Das einfache, skalierbare und insbesondere lithographie­freie Verfahren zur Erzeugung gezielt regelbarer Nanostrukturen mit gerichteter Zufälligkeit und räumlicher Ordnung verbessert die Effizienz und die winkel­abhängige Abstrahl­charakteristik von weißen OLEDs deutlich. Die Nanostrukturen werden mittels reaktivem Ionenätzen erzeugt. Das bietet den Vorteil, die Topographie der Nanostrukturen über die Einstellung der Prozess­parameter gezielt zu kontrollieren. Um die erzielten Ergebnisse zu verstehen, haben die Wissenschaftler ein optisches Modell entwickelt, mit welchem sich die Effizienz­steigerung der OLEDs erklären lässt. Durch die Integration dieser Nanostrukturen in weiße OLEDs kann eine externe Quanten­effizienz von bis zu 76,3 Prozent erreicht werden. 

Für Lenk eröffnet die neue Methode zahlreiche neue Wege: „Wir hatten bereits lange nach einer Möglichkeit gesucht, Nanostrukturen gezielt zu manipulieren. Mit dem reaktiven Ionenätzen haben wir einen kosten­günstigen und für große Flächen nutzbaren Prozess gefunden, welcher sich auch für die industrielle Nutzung eignet. Der Vorteil liegt darin, dass sich Periodizität und Höhe der Nanostrukturen komplett über die Prozessparameter einstellen lassen und dass somit eine optimale Auskopplungs­struktur für weiße OLEDs gefunden werden konnte. Diese quasi-periodischen Nanostrukturen eignen sich nicht nur als Auskoppel­strukturen für OLEDs, sondern besitzen auch das Potential für weitere Anwendungen in der Optik, Biologie und Mechanik.“

TU Dresden / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y. Li et al.: Tailor-made nanostructures bridging chaos and order for highly efficient white organic light-emitting diodes, Nat. Commun. 10, 2972 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-11032-z
• Organic Semiconductors (S. Reineke), Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials, Technische Universität Dresden