Neue OLEDs für günstige Bildschirme
Spinmanipulation soll Einsatz von Edelmetallen überflüssig machen.
Forscher der Universitäten Bonn und Regensburg haben einen neuartigen Typus organischer Leuchtdioden (OLEDs) entwickelt. Die Mini-Lämpchen eignen sich für den Bau besonders energiesparender und kostengünstiger Bildschirme. Diese könnten etwa in Smartphones, Tablet-PCs oder TV-Geräten zum Einsatz kommen. Auch Anwendungen wie leuchtende Fliesen für Küche oder Bad sind denkbar.
Abb.: Durch einen Trick wird die Spin-Orientierung des Moleküls durcheinander gewirbelt, so dass effizientere Lichtemission erfolgen kann. (Bild: J. Lupton)
OLEDs können normalerweise nur ein Viertel der eingesetzten elektrischen Energie in Licht umwandeln. Diese Ausbeute lässt sich zwar erhöhen, indem man das Display mit kleinen Mengen Platin oder Iridium „verunreinigt“. Diese Elemente sind aber selten und teuer. Die Herstellung hochwertiger OLED-Displays war daher bislang eine relativ kostspielige Angelegenheit.
Das könnte sich in Zukunft ändern. Die Wissenschaftler aus Bonn, Regensburg und den USA haben nämlich einen neuen Typus von OLEDs hergestellt, der auch ohne Edelmetalle das Potenzial für hohe Lichtausbeuten aufweist. Damit könnten OLED-Bildschirme bald deutlich kostengünstiger werden.
In OLEDs verbindet ein dünner Film organischer Moleküle zwei Elektroden. Diese werden an eine Batterie angeschlossen, so dass ein elektrischer Strom aus positiven und negativen Ladungen fließt. Treffen diese Ladungen aufeinander, so vernichten sie sich in einem Lichtblitz.
Da sich positive und negative Ladungen anziehen, sollte die Lichterzeugung im Prinzip auch sehr effizient klappen. Doch besitzen elektrische Ladungen zusätzlich mit ihrem Spin ein magnetisches Moment. Ladungen mit gleichem Spin stoßen sich ab, ähnlich wie die Nordpole zweier Magneten. Diese Abstoßung überwiegt sogar die Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen. Haben unterschiedliche Ladungen denselben Spin, gibt es also keinen Lichtblitz. Stattdessen wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt.
In normalen OLEDs ist das leider sehr häufig der Fall: Drei Viertel aller Ladungen tragen denselben Spin. Entsprechend gering ist die Lichtausbeute. Die OLED-Hersteller haben aber einen Trick ersonnen, um diese Ausbeute zu erhöhen: Sie wirbeln die Spins mit einem noch stärkeren Magneten durcheinander. Dazu nutzen sie schwere Metalle wie Platin oder Iridium. Auf diese Weise ist es möglich, nahezu die gesamte elektrische Energie zur Erzeugung von Licht zu verwenden. Allerdings heißt das auch: Streng genommen sind die Materialien in OLEDs gar keine organischen Verbindungen, sondern metallorganische.
„Wir erhöhen die Ausbeute dagegen mit einem ganz anderen Mechanismus“, erklärt John Lupton, Physik-Professor an der Universität Regensburg. „Ladungen können die Richtung ihres Spins nämlich spontan ändern. Dazu muss man nur lange genug warten.“ Das Problem dabei: Herkömmliche OLEDs können die elektrische Energie nicht lange genug speichern, um diese Wartezeit zu überbrücken. Stattdessen wandeln sie die Energie einfach in Wärme um.
„Die von uns konstruierten OLEDs können elektrische Energie augenscheinlich deutlich länger speichern“, sagt der Chemiker Sigurd Höger von der Universität Bonn. „Sie können daher die spontanen Sprünge der Spins nutzen, um Licht zu erzeugen – zumindest vermuten wir das.“ Die neuartigen Stoffe bergen daher das Potenzial, in OLEDs auch ohne „metallorganische Tricks“ kaum Abwärme zu erzeugen und somit die eingesetzte elektrische Energie sehr effizient in Licht umzuwandeln.
U. Bonn / PH
