Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind mittlerweile weit verbreitet. Für den Einsatz in Displays werden zusätzlich blaue OLEDs als Ergänzung zu den Primärfarben Rot und Grün benötigt. Insbesondere bei blauen OLEDs führen Verunreinigungen zu starken elektrischen Verlusten, die teilweise durch den Einsatz hochkomplexer und teurer Gerätelayouts umgangen werden könnten. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung hat nun ein neues Materialkonzept entwickelt, das möglicherweise effiziente blaue OLEDs mit stark vereinfachtem Aufbau ermöglicht.
Vom Fernseher bis zum Smartphone: Organische Leuchtdioden (OLEDs) halten heutzutage Einzug in viele Geräte, die wir täglich nutzen. Zur Darstellung eines Bildes werden sie in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau benötigt. Insbesondere Leuchtdioden für blaues Licht sind noch immer schwierig herzustellen, da blaues Licht physikalisch gesehen eine hohe Energie besitzt, was die Entwicklung von Materialien erschwert.
Insbesondere das Vorhandensein kleinster Mengen an Verunreinigungen im Material, die nicht entfernt werden können, spielt eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit dieser Materialien. Diese Verunreinigungen – zum Beispiel Sauerstoffmoleküle – behindern die Bewegung von Elektronen innerhalb der Diode und die Teilnahme am Lichterzeugungsprozess. Wenn ein Elektron von einem solchen Hindernis erfasst wird, wird seine Energie nicht in Licht, sondern in Wärme umgewandelt. Dieses als „Charge Trapping“ bezeichnete Problem tritt vor allem bei blauen OLEDs auf und verringert deren Effizienz deutlich.
Ein Team um Paul Blom, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, hat sich nun dem Problem des Ladungseinfangens angenommen. Zu diesem Zweck haben sie eine neue Klasse von Molekülen eingesetzt. Diese bestehen aus zwei chemischen Teilen; Einer ist für die Elektronenleitung verantwortlich, 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 nach außen durch den anderen Teil der Moleküle abgeschirmt wird. 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 ihrer Arbeit hoffen die Forscher einen wichtigen Schritt hin zu einer einfacheren Herstellung blauer Leuchtdioden getan zu haben. Ihre Ergebnisse haben sie nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.
Mehr Informationen:
Oskar Sachnik et al., Beseitigung des Ladungsträgereinfangs durch molekulares Design, Naturmaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01592-3