27.03.2018

OLEDs mit Rückgrat

Räumliche Struktur von Polymeren ermöglicht Farbsteuerung organischer Leuchtdioden.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) werden in Smart­phones und TV-Geräten eingesetzt und unter­stützen eine kontrast­reiche Darstellung von Farben. In diesen Dioden nutzt man als organische Halb­leiter oft konjugierte Polymere. Forscher der Universität Bayreuth haben jetzt heraus­gefunden, wie sich die räumliche Struktur dieser Polymere nutzen lässt, um die Farben der OLEDs zu steuern und Bild­schirme noch besser zum Leuchten zu bringen.

Abb.: Links ein Polymer mit gestrecktem Rückgrat (rot-gelb). Die Seitenarme (grau) der molekularen Bausteine bilden ein Gerüst, das die Streckung stabilisiert. Rechts ein Polymer mit gekrümmtem Rückgrat. (Bild: D. Raithel)

Im Mittelpunkt der neuen Forschungs­ergebnisse stehen Polymere, die sich für den Einsatz in organischen Leucht­dioden eignen. Aufgrund der aneinander geketteten molekularen Bau­steine besitzen sie ein Rück­grat. Werden die Polymere nun einem Laser­strahl ausgesetzt, absorbieren sie das Licht und speichern es als Anregungs­energie. Diese Energie breitet sich an ihrem Rück­grat entlang aus. Kurz darauf wird sie durch Abstrahlung von Licht freigesetzt.

Bisher ist man davon ausgegangen, dass die Farbe des abgestrahlten Lichts davon abhängig sei, wie weit sich die Anregungs­energie in den Polymeren ausbreitet: Der Bereich, in dem sich die Energie ausdehnt, sei umso kleiner, je stärker die Polymere gekrümmt sind, hieß es. Doch die Bayreuther Wissenschaftler haben diese Annahmen jetzt widerlegt: Die von ihnen untersuchten Polymere haben ein chemisch identisches Rück­grat und sind unterschiedlich gekrümmt, aber die Anregungs­energie dehnt sich über gleich große Bereiche aus. Gekrümmte Polymere senden grünes oder blaues Licht aus, gestreckte Polymere strahlen gelb oder rötlich. „Wenn diese Polymere in organischen Leucht­dioden zum Einsatz kommen, können ihre unter­schiedlichen räumlichen Strukturen genutzt werden, um die Farben des von den OLEDs abgestrahlten Lichts präzise zu steuern“, erklärt Dominic Raithel.

Wie die Bayreuther Forscher ebenfalls herausgefunden haben, besitzen gestreckte Polymere ein von ihren Seiten­armen gebildetes Gerüst, das die Streckung stabilisiert. „Daraus ergibt sich für Leucht­dioden ein besonderer Vorteil: Wenn gestreckte Polymere über­einander geschichtet werden, sorgen die Gerüste für Stabilität. Die Licht­emission wird dadurch nicht geschwächt“, sagt Raithel.

Bei den vergleichenden experimentellen Untersuchungen der Polymere kamen verschiedene Spektroskopie­verfahren zum Einsatz. „Entscheidend war dabei die Einzel­molekül­spektroskopie bei sehr tiefen Temperaturen, für die uns hier in Bayreuth eine hoch­leistungs­fähige Infra­struktur zur Verfügung steht. Mit dieser Methode konnten wir die Farben des emittierten Lichts und schließlich auch die Ausdehnung der Anregungs­energie über die ketten­förmig aufgebauten Polymere bestimmen“, erklärt Richard Hildner, der die Forschungs­arbeiten an der Universität Bayreuth koordiniert hat.

Die Bayreuther Wissenschaftler haben eng mit einer Arbeits­gruppe an der Rice University in Houston, Texas, zusammengearbeitet. Hier haben Lena Simine und Peter J. Rossky umfang­reiche Berechnungen zum Einfluss der Polymer­strukturen auf die Farbe des emittierten Lichts angestellt. Die Verbindung von experimentellen mit theoretischen Methoden führte schließlich zu Einblicken in die räumliche Struktur einzelner Polymer­ketten, die mit herkömmlichen bild­gebenden Verfahren nicht möglich sind.

U. Bayreuth / DE

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