Seit den Anfängen der Kathodenstrahlröhren haben elektronische visuelle Anzeigen einen langen Weg zurückgelegt. Moderne Anzeigegeräte auf Basis organischer Leuchtdioden (OLEDs) sind kompakt genug, um uns in tragbaren Geräten wie Smartphones und Smartwatches überallhin zu begleiten. Dennoch besteht Bedarf an weiteren Verbesserungen der Leistung von OLED-basierten Displays, insbesondere in Bezug auf Energieeffizienz und Farbreinheit, die sich beide direkt auf den Stromverbrauch auswirken. Kürzlich schlug ein Forscherteam der beiden Institute der Polnischen Akademie der Wissenschaften (PAS), des Instituts für Physikalische Chemie PAS und des Instituts für Organische Chemie PAS, und der Schlesischen Technischen Universität eine Reihe neuer chemischer Verbindungen vor, die als solche dienen sollen Emitter von OLEDs und bringt uns einen Schritt näher an robuste und nachhaltige Technologien in der tragbaren Elektronik.
Elektronische visuelle Anzeigen sind in unserem täglichen Leben in einem Ausmaß allgegenwärtig, das noch vor wenigen Jahrzehnten undenkbar gewesen wäre. Bis Anfang der 2010er Jahre verwendeten die meisten tragbaren Geräte Flüssigkristallanzeigen (LCDs), die im Wesentlichen dadurch eingeschränkt sind, dass sie kein eigenes Licht erzeugen, sondern das von einer Hintergrundbeleuchtung emittierte Licht filtern. Folglich sind LCDs relativ sperrig und neigen dazu, unter einem schlechten Kontrast zwischen hell und dunkel zu leiden. Auf der anderen Seite geben OLED-basierte Displays selbst Licht ab, ohne eine Hintergrundbeleuchtung zu benötigen. Daher können sie dünner und leichter gemacht werden und erreichen einen höheren Kontrast als LCDs.
Die lichtemittierende Komponente einer OLED ist eine organische Halbleiterschicht, die zwischen zwei Elektroden eingebettet ist, von denen eine transparent ist, um Licht durchzulassen. Die Farbe des emittierten Lichts hängt von der Zusammensetzung der Halbleiterschicht ab – unterschiedliche Emitterverbindungen führen zu unterschiedlichen Farben. Gegenwärtig umfassen allgemein verwendete Emitterverbindungen heteroaromatische Verbindungen und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), die eine helle Emission hervorrufen, jedoch auf Kosten einer geringen Farbreinheit. Darüber hinaus leiden viele dieser Verbindungen unter schlechter chemischer und thermischer Stabilität, was die Verarbeitung erheblich erschwert und zu den hohen Herstellungskosten beiträgt. Daher gibt es noch viel Raum für Verbesserungen im Design von Emitterverbindungen.
Angesichts dieser Herausforderungen haben sich Wissenschaftler aus drei führenden Forschungseinrichtungen in Polen zusammengeschlossen, um neuartige Moleküle für die Anwendung als OLED-Emitter vorzuschlagen. Ihr Forschungskonsortium wurde von Dr. Marcin Lindner vom Institut für Organische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften initiiert. Dieses Projekt wurde in Gang gesetzt, als er eine Reihe potenzieller neuer Emitter entwarf, die auf aromatischen elektronenspendenden und elektronenaufnehmenden Einheiten basieren, die durch einen antiaromatischen siebengliedrigen Ring verbrückt sind. Die Inspiration für dieses Design wurde durch die Beobachtung geliefert, dass viele bestehende Emitter eine direkte Verknüpfung zwischen der Donor- und der Akzeptoreinheit aufweisen, diese Anordnung jedoch gewisse Vorteile mit sich bringt. Was wäre, wenn die Donor- und die Akzeptoreinheit stattdessen durch einen antiaromatischen Ring verbunden wären? Ein weiterer innovativer Aspekt von Dr. Lindners Design ist die Wahl der elektronenspendenden Gruppe: eine Stickstoff-dotierte (oder N-dotierte) PAH-Einheit. Die Stickstoffdotierung bewirkt, dass das Molekülskelett eine leicht konkave, schalenartige Geometrie annimmt, was dazu beiträgt, unerwünschte Stapelwechselwirkungen in der kondensierten Phase zu reduzieren.
Dr. Lindner sagt, dass „das grundlegende Design unserer N-dotierten PAHs sich als ziemlich flexibel erwiesen hat und ihre Eigenschaften sehr gut auf die Wahl der elektronenaufnehmenden Gruppe ansprechen. Beispielsweise können wir den Emissionsmechanismus zwischen thermisch aktiviert abstimmen verzögerte Fluoreszenz (TADF) und Raumtemperatur-Phosphoreszenz (RTP). Dadurch haben wir ein hohes Maß an Kontrolle über das Emissionsprofil.“
Nachdem die N-dotierten PAHs von Dr. Lindners Forschungsgruppe synthetisiert wurden, wurden ihre optischen und elektronischen Eigenschaften von Prof. Dr. Przemysław Data, Spektroskopiker an der Schlesischen Technischen Universität. Vor allem Prof. Die Forschungsgruppe von Data zeichnete die Emissionsspektren der N-dotierten PAHs unter verschiedenen Bedingungen auf und maß die Energieniveaus der Molekülorbitale.
Außerdem Prof. Die Gruppe von Data stellte OLED-Prototypen her, die die neuen Verbindungen enthielten, und maß ihre externen Quanteneffizienzen (EQEs). Erfreulicherweise wurde festgestellt, dass das leistungsfähigste N-dotierte PAH einen EQE von 12 % erreichte, höher als existierende Donor-Akzeptor-Emitter eines ähnlichen Typs.
Die experimentelle Arbeit wurde durch quantenchemische Berechnungen durch das Team unter der Leitung von Dr. Adam Kubas, einem theoretischen Chemiker vom Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften, ergänzt. Dr. Kubas und seine Gruppe führten hochmoderne Computersimulationen der Strukturen und Eigenschaften der N-dotierten PAHs durch. Ihre Simulationen lieferten einige Erkenntnisse, die einem Experiment allein nicht zugänglich gewesen wären.
„In Bezug auf die elektronische Struktur sind die N-dotierten PAHs ziemlich exotisch. Das Vorhandensein des siebengliedrigen Rings zwischen der Donor- und der Akzeptoreinheit entkoppelt die beiden teilweise, aber nicht vollständig. Folglich weisen diese Verbindungen ein kleines, aber positives Singulett auf -Triplett-Energielücken, was die Emission durch TADF erleichtert“, erklärt Michał Kochman, Postdoktorand in der Gruppe von Dr. Kubas.
Die vollständigen Ergebnisse dieser Studie wurden in veröffentlicht Angewandte Chemie. Doch damit ist die Geschichte noch nicht zu Ende: Das Forschungskonsortium setzt seine Bemühungen fort, verbesserte Emitter für energieeffiziente OLED-Displays zu entwickeln. Das Team glaubt, dass wir bald von der zweiten Generation von N-dotierten PAHs mit noch besseren Eigenschaften hören werden. Ausschlaggebend für den schnellen Fortschritt ist die Einbindung von Spezialisten aus unterschiedlichen Bereichen, die unterschiedliche Fähigkeiten und Expertisen einbringen.
Dr. Kubas stimmt zu: „Hochwertige Wissenschaft braucht eine interdisziplinäre Haltung. In unserem Forschungsprojekt hat die enge Zusammenarbeit zwischen Experimentalchemikern und Theoretikern einige vielversprechende neue Materialien mit hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften hervorgebracht. Vor allem konnten wir ein völlig neues Paradigma für aufzeigen das Design stark emittierender N-dotierter PAHs.“
Jakub Wagner et al, Modulare stickstoffdotierte konkave polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für leistungsstarke organische Leuchtdioden mit abstimmbaren Emissionsmechanismen**, Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie (2022). DOI: 10.1002/ange.202202232