Forscher am National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan entwickeln zusammen mit Kollegen der Tokyo University of Science und der Hokkaido University neue Formen der lichtemittierenden Materialien, sogenannte Leuchtstoffe, die im Vergleich zu bestehenden Optionen vielseitiger einsetzbar sind. Ihre Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft und Technologie fortschrittlicher Materialien.
Leuchtstoffe absorbieren die Energie elektromagnetischer Strahlung, einschließlich sichtbarem Licht und Röntgenstrahlen, und geben sie dann in Farben ab, die von ihren Eigenschaften abhängen. Sie werden in vielen Anwendungen eingesetzt, darunter in Leuchtdioden (LEDs), Bildschirmen, Szintillatoren, die Strahlung wie Röntgenstrahlen erkennen, und optoelektronischen Geräten.
„Wir müssen Leuchtstoffe mit leicht einstellbaren Emissionen finden, um sie in einem immer breiteren Anwendungsfeld nutzen zu können“, sagt Takayuki Nakanishi vom NIMS-Team. „In dieser Arbeit haben wir eine neue Art von Polymerkristallen mit sehr schmalen Emissionsbändern entwickelt, die für die Herstellung der nächsten Generation von Mikro-LEDs geeignet sind.“ Es wird erwartet, dass diese speziellen LEDs in vielen aufstrebenden industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
Die Arbeit basiert auf lumineszierenden Lanthanoid-Polymerkristallen, die aus Komponenten bestehen, die ein zentrales Europiumatom (ein Lanthanoid-Element) enthalten, das mit umgebenden organischen chemischen Gruppen komplexiert ist. Die Bildung und Aggregation der Kristalle kann gesteuert werden, um die optischen Eigenschaften des Produkts an den Verwendungszweck anzupassen. Es wurde festgestellt, dass Nanokügelchen des Polymers die höchste optische Effizienz bieten.
„Der innovativste Aspekt unserer Forschung ist, dass sie zeigt, dass Polymerkristalle, die durch sogenannte Koordinationsbindungen verbunden sind, als eine breite Palette funktioneller und hitzestabiler Leuchtstoffe von Nanogröße bis Makrogröße verwendet werden können“, sagt Nakanishi.
Die nächste Herausforderung für das Team besteht darin, den Wellenlängenbereich zu erweitern, der zur Anregung der Materialien verwendet werden kann. Die aktuellen Leuchtstoffe werden durch ultraviolette Strahlung angeregt. Um ihren Nutzen jedoch auf viele weitere Anwendungen auszudehnen, hofft das Team, auf andere Wellenlängen umzusteigen, insbesondere auf längere und daher energieärmere.
Zusätzlich zu ihren Vorteilen einer hohen Lichtemissionseffizienz und thermischen Stabilität sind die neuen Leuchtstoffe auch sehr leicht zu kristallisieren und gut in Lösungsmitteln dispergierbar. Aufgrund dieser beiden letztgenannten Eigenschaften eignen sie sich gut für die Großserienfertigung, die erforderlich ist, um ihr Potenzial voll auszuschöpfen.
„Wir gehen davon aus, dass nanoskalige Polymerkugeln, die Koordinationspolymere wie unseres verwenden, zu einem neuen und vielseitigen fluoreszierenden Material werden, das den derzeit bekannteren Quantenpunkten ebenbürtig ist“, schließt Nakanishi.
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Takayuki Nakanishi et al., Strukturelle Metamorphose und photophysikalische Eigenschaften thermostabiler nano- und mikrokristalliner Lanthanoidpolymere mit flexiblen Koordinationsketten, Wissenschaft und Technologie fortschrittlicher Materialien (2023). DOI: 10.1080/14686996.2023.2183711