Neue Materialklasse für effizientere OLEDs

Dünne lichtaktive Polymerschichten sind die Grundlage der meisten heute in Smart­phones, großen Flach­bildschirmen und Designer­lampen verwendeten organischen Leucht­dioden. Doch OLEDs lassen sich auch aus hauch­dünnen Lagen kleiner Moleküle fertigen. Ein britisch-finnisches Forscherteam entwickelte nun metall­organische Verbindungen, die das Potenzial für eine deutlich gesteigerte Effizienz haben. Erste Prototypen zeigten eine innere Quanten­effizienz von nahezu 100 Prozent.

„Einfache Verbindungen aus Kupfer und Gold können als effiziente Materialien für OLEd genutzt werden“, sagt Alexander Romanov von der University of East Anglia in Norwich. Gemeinsam mit Kollegen vom Cavendish Laboratory der University of Cambridge und der University of Eastern Finland in Joensuu entwickelte er komplexe metall­organische Verbindungen. In diesen dockten je zwei organische Molekül­gruppen – zyklische Alkylamino­carbene – an je ein Kupfer- oder Goldatom an. Die Struktur dieses Moleküls ähnelte dabei einem zweiflügeligen Propeller.

Mehrere Varianten dieser metall­organischen Komplexe mischten die Forscher in ein organisches Lösungs­mittel. Über ein nass­chemisches Verfahren deponierten sie eine etwa 20 Nanometer dünne Schicht mit diesen licht­aktiven Propeller-Molekülen auf eine Kunststoff­fläche (PEDOT:PSS). Umgeben von weiteren bis zu 180 Nanometer dicken Schichten aus isolierenden Polymeren entstanden erste Proto­typen mit einer verblüffend hohen Effizienz.

„Schon die erste Demonstration belegte, dass die neue Materialklasse die bisher etablierte OLED-Technologie überflügelt“, sagt Dan Credgington von der University of Cambridge. Legten die Forscher eine elektrische Spannung von bis 3,4 Volt an ihre OLED, wanderten Elektronen zwischen den beiden Flügeln des Propeller-Moleküls und sendeten dabei Lichtteilchen aus. Ein Flügel wirkte dabei als Elektron-Donator, der andere als Akzeptor.

Wegen der ungewöhnlichen Geometrie der Moleküle verringerte sich die Austausch­energie zwischen Singlett- und Triplett-Zustand fast auf Null. Dadurch ließen sich nun auch die Triplett-Zustände für eine Licht­emission nutzen. In OLEDs auf Polymer­basis dagegen führen Triplett-Zustände nach einer elektrischen Anregung ihre Energie nur als Wärme ab.

Der Austausch der Elektronen zwischen den Molekülflügeln und die Licht­emission vollzog sich überraschend schnell innerhalb von 350 Nanosekunden. Mit einer hohen Effizienz von bis zu 75 Lumen pro Watt erreichten die ersten Prototypen eine Helligkeit von über 70.000 Candela pro Quadratmeter. Kommerzielle OLED dagegen rangieren bei Werten von einigen tausend Candela pro Quadratmeter. „Diese Arbeit zeigt, wie drehende Moleküle über ein quanten­mechanisches Phänomen die Leistung von OLED stark beeinflussen können“, sagt Dawei Di, Erstautor der Studie.

Mit diesem Ergebnis empfiehlt sich die neue Materialklasse als interessante Alternative zur anderen OLED-Triplett-Emittern auf der Basis teuer Metalle wie Iridium oder Platin. Zudem erfolgte die Synthese in einer wenig komplizierten „Ein-Topf“-Reaktion und könnte so zu einer günstigen Massen­fertigung führen. Bis aber diese neue Klasse licht­aktiver Moleküle über günstige Beschichtungs­prozesse auf große Flächen deponiert werden, wird es jedoch noch etwas dauern. Denn bisher emittieren die bis gut 270 Grad Celsius stabilen Propeller-Moleküle bevorzugt Licht im grünen Spektral­bereich. Doch die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass sie weitere Varianten der Propeller-Moleküle entwickeln können, die dann auch blaues und rotes Licht aussenden. Werden all diese Varianten in einer mehr­schichtigen OLED kombiniert, ließen sich auch weiß leuchtende Flächen, eventuell sogar auf einer rollbaren oder flexiblen Träger­material fertigen.

Jan Oliver Löfken

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