Molekulare Autobahnen: Ein Durchbruch im organischen Licht

Von Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 4. August 2023

Aufgrund der besonderen chemischen Struktur ordnen sich die Moleküle in einer Art Spirale an. Das Ergebnis: Der elektronenleitende Kern wird abgeschirmt, was zu einer höheren Effizienz der organischen Leuchtdiode führt. Bildnachweis: MPI-P

Neues Materialkonzept eliminiert die unerwünschten Auswirkungen von Verunreinigungen in organischen Leuchtdioden.

Forscher des Max-Planck-Instituts haben eine neue Molekülstruktur geschaffen, die die Effizienz blauer OLEDs steigert. Ihr Durchbruch kann den Design- und Produktionsprozess dieser OLEDs vereinfachen.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind in vielen modernen Geräten, vom Fernseher bis zum Smartphone, weit verbreitet. Um ein Bild anzuzeigen, müssen OLEDs Licht in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau projizieren. Insbesondere die Herstellung von Leuchtdioden für blaues Licht stellt aufgrund ihrer energiereichen physikalischen Eigenschaften eine besondere Herausforderung dar, was die Entwicklung geeigneter Materialien erschwert.

Ein wesentlicher Faktor für die Leistung dieser Materialien ist das Vorhandensein geringer Mengen an Verunreinigungen, die nicht vollständig entfernt werden können. Solche Verunreinigungen, wie zum Beispiel Sauerstoffmoleküle, behindern die Bewegung der Elektronen innerhalb der Diode und stören so den Lichterzeugungsprozess. Wenn ein Elektron von diesen Verunreinigungen eingefangen wird, wird seine Energie in Wärme statt in Licht umgewandelt. Dieses als „Charge Trapping“ bezeichnete Phänomen betrifft vor allem blaue OLEDs und führt zu einer erheblichen Verringerung ihrer Effizienz.

Ein Team um Paul Blom, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, hat kürzlich das Problem des Ladungseinfangens mithilfe einer neuen Klasse von Molekülen untersucht. Diese Moleküle bestehen aus zwei chemischen Teilen: Ein Teil erleichtert die Elektronenleitung, während der andere Teil unempfindlich gegenüber Verunreinigungen ist. Durch die Manipulation der chemischen Struktur des Moleküls wird eine besondere räumliche Anordnung erreicht: Wenn mehrere Moleküle zusammengefügt werden, bilden sie eine Art „Spirale“ – das heißt, der elektronenleitende Teil der Moleküle bildet den inneren Teil, der abgeschirmt ist die Außenseite durch den anderen Teil der Moleküle. Auf molekularer Ebene ähnelt es einem Koaxialkabel mit einem elektronenleitenden Innenkern und einem den Kern abschirmenden Außenteil.

Der Mantel bildet somit eine Art „Schutzschicht“ für den elektronenleitenden Kern und schützt ihn vor dem Eindringen von Sauerstoffmolekülen. Dadurch können sich die Elektronen schnell und frei entlang der Mittelachse der Spirale bewegen, ohne von Hindernissen aufgehalten zu werden, ähnlich wie Autos auf einer Autobahn ohne Kreuzungen, Ampeln oder andere Hindernisse.

„Das Besondere an unserem neuen Material ist, dass das Fehlen von Verlusten durch Verunreinigungen und der daraus resultierende effiziente Elektronentransport das Design blauer OLEDs bei gleichzeitig hoher Effizienz erheblich vereinfachen kann“, sagt Paul Blom.

Mit diesem innovativen Ansatz hoffen die Forscher, die Herstellung blauer Leuchtdioden deutlich zu vereinfachen. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht und stellen einen wichtigen Schritt in Richtung Weiterentwicklung der OLED-Technologie dar.

Referenz: „Elimination of Charge-Carrier Trapping by Molecular Design“ von Oskar Sachnik, Xiao Tan, Dehai Dou, Constantin Haese, Naomi Kinaret, Kun-Han Lin, Denis Andrienko, Martin Baumgarten, Robert Graf, Gert-Jan AH Wetzelaer, Jasper J. Michels und Paul WM Blom, 29. Juni 2023, Naturmaterialien