Organisches LED-Material erreicht eine schnellere organische Phosphoreszenz für eine bessere Anzeigetechnologie

Bildschirme für Fernseher, Smartphones oder andere Displays könnten mit einem neuen organischen LED-Material hergestellt werden, das von einem internationalen Team unter der gemeinsamen Leitung von Ingenieuren der University of Michigan entwickelt wurde. Das Material behält scharfe Farben und Kontraste bei und ersetzt gleichzeitig das Schwermetall durch ein neues Hybridmaterial.

Kurioserweise schien das Material auch eine Quantenregel zu brechen.

Derzeit auf dem Markt erhältliche OLED-Geräte enthalten Schwermetallkomponenten wie Iridium und Platin, die die Effizienz, Helligkeit und Farbpalette des Bildschirms verbessern. Sie bringen jedoch auch Nachteile mit sich: deutlich höhere Kosten, eine kürzere Gerätelebensdauer und erhöhte Gesundheits- und Umweltrisiken.

Bei OLEDs wird die Lichtemission durch die energieeffizientere Phosphoreszenz gegenüber der Fluoreszenz bevorzugt, aber die Phosphoreszenz erfolgt langsamer und dauert ohne die Schwermetallkomponente Millisekunden oder länger. Um mit modernen Displays mithalten zu können, die mit 120 Bildern pro Sekunde arbeiten, ohne dass ein bleibendes „Geisterbild“ entsteht, ist es notwendig, die Phosphoreszenz in Mikrosekunden zu beschleunigen. Dies ist eine Schlüsselrolle der Schwermetalle.

„Wir haben einen Weg gefunden, ein phosphoreszierendes organisches Molekül herzustellen, das Licht im Mikrosekundenbereich emittieren kann, ohne Schwermetalle in das molekulare Gerüst einzubeziehen“, sagte Jinsang Kim, UM-Professor für Materialwissenschaften und -technik und Mitautor der Studie veröffentlicht In Naturkommunikation.

Dong Hyuk Park, Professor für chemische und biomedizinische Wissenschaft und Technik an der Inha-Universität, und Sunkook Kim, Professor für fortgeschrittene Materialwissenschaften und Technik an der Sungkyunkwan-Universität, beide in der Republik Korea, sind ebenfalls Co-Korrespondenzautoren.

Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz wird dadurch bestimmt, was passiert, wenn Elektronen aus dem elektrischen Strom, der durch das OLED-Material fließt, in das hohe Energieniveau innerhalb der verfügbaren Elektronenorbitale des Moleküls gleiten, das als angeregter Zustand bezeichnet wird – sozusagen als würden sie auf eine Sprosse springen eine Leiter. Bei der Fluoreszenz können sie die Energie sofort als Licht abgeben und in den Grundzustand zurückspringen. Bei der Phosphoreszenz müssen sie jedoch zunächst eine Umwandlung durchführen.

Die Umwandlung hängt mit dem Spin des Elektrons zusammen. Jedes Elektron hat einen Partner in seinem Grundzustand, und eine quantenmechanische Regel – das Pauli-Ausschlussprinzip – verlangt, dass sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Aber wenn ein Elektron in die höhere Stufe rutscht, kann es sich am Ende in beide Richtungen drehen, da sich jedes Elektron jetzt allein in seinem Orbital befindet. Es bleibt seinem Partner nur ein Viertel der Zeit gegenüber, was zu einer Fluoreszenz führt.

Phosphoreszenz ist dreimal effizienter, da sie auch die anderen 75 % der angeregten Elektronen nutzt, allerdings muss das Elektron seinen Spin umdrehen, bevor er wieder nach unten zurückkehren kann. In herkömmlichen phosphoreszierenden Materialien erzeugt der große Atomkern des Schwermetalls ein Magnetfeld, das das angeregte Elektron mit derselben Spinrichtung dazu zwingt, sich schnell zu drehen, was zu einer schnelleren Lichtemission führt, wenn es in seinen Grundzustand zurückkehrt.

Das neue Material positioniert eine 2D-Schicht aus Molybdän und Schwefel in der Nähe einer ähnlich dünnen Schicht des organischen lichtemittierenden Materials und erzielt den gleichen Effekt durch physische Nähe ohne jegliche chemische Bindung. Diese Hybridkonstruktion beschleunigte die Lichtemission um das Tausendfache und erreichte Geschwindigkeiten, die schnell genug für moderne Displays sind.

Die Lichtemission erfolgt vollständig innerhalb des organischen Materials, ohne dass eine schwache metallorganische Ligandenbindung vorliegt, was zu einer längeren Lebensdauer des Materials beiträgt. Phosphoreszierende OLEDs, die auf Schwermetallen basieren, nutzen die Metalle ebenfalls, um die Farbe zu erzeugen, und die schwächeren chemischen Bindungen zwischen dem Metall und dem organischen Material können aufbrechen, wenn zwei angeregte Elektronen in Kontakt kommen, wodurch das Pixel abgedunkelt wird.

Das Ausbrennen von Pixeln ist ein besonderes Problem bei hochenergetischem blauem Licht, das noch gelöst werden muss, aber das Forschungsteam hofft, dass sein neuer Designansatz dazu beitragen kann, stabile, blau phosphoreszierende Pixel zu erreichen. Aktuelle OLEDs verwenden phosphoreszierende rote und grüne Pixel sowie fluoreszierende blaue Pixel und vermeiden so das Ausbrennen blauer Pixel auf Kosten einer geringeren Energieeffizienz.

Über die potenziellen Anwendungen hinaus ergab die Analyse dieses molekularen Hybridsystems etwas, das einst für unmöglich gehalten wurde: Gepaarte Elektronen, die sich ein Orbital teilen, schienen unter dunklen Bedingungen einen kombinierten Spin zu haben, was auf einen verbotenen „Triplett“-Zustand hindeutet, in dem sich ihre Spins stattdessen gegenseitig aufheben sollten .

„Wir verstehen noch nicht ganz, was diesen Triplett-Charakter im Grundzustand verursacht, weil dies gegen das Pauli-Ausschlussprinzip verstößt. Das ist völlig unmöglich, aber wenn man sich die Messdaten ansieht, scheint das der Fall zu sein“, sagte Kim. „Deshalb haben wir viele Fragen dazu, was das wirklich möglich macht.“

Das Forschungsteam wird untersuchen, wie das Material Grundzustände mit Triplettcharakter erreicht, und gleichzeitig mögliche Anwendungen für spintronische Geräte verfolgen.

Mitarbeiter der University of California, Berkeley und der Dongguk University trugen zu der Studie bei. Jinsang Kim ist außerdem Direktor akademischer Programme für makromolekulare Wissenschaft und Technik sowie Professor für Chemie.