Mehr Strahlkraft: Bisher fehlt es den blauen OLEDs an Helligkeit und Stabilität. Doch jetzt haben Forschende ein neuartiges Emittermolekül entwickelt, durch das leuchtstarke, tiefblaue organische Leuchtdioden entstehen. Ein doppelter Ladungstransfer innerhalb dieses Moleküls erzeugt ein blaues Licht, das eine Leuchtdichte von 5.000 Candela pro Quadratmeter und eine Quanteneffizienz von 20,35 Prozent erreicht – ein neuer Rekord für blaue OLEDs. Durch seine einfache Herstellung könnte das Emittermolekül eine neue Generation blauer OLEDs ermöglicht.
Organische Leuchtdioden (OLEDs) stecken schon jetzt in vielen Smartphones, Tablets und Fernsehern. Ihr Licht entsteht, wenn ein elektrisches Feld ein organisches Halbleitermaterial anregt und zu einer Rekombination von Ladungen führt. Dabei werden Photonen frei – die LED leuchtet. Für grüne und rote OLEDs gibt es bereits sehr effiziente phosphorisierende Emittermaterialien, die lange nachleuchten. Beim Blau fehlen jedoch bisher Emitter, die hohe Effizienz, Lumineszenz und lange Lebensdauer kombinieren.
Emittermolekül mit doppeltem Transfer
Wissenschaftler suchen daher schon seit einigen Jahren nach organischen Materialien, die auch die blauen OLEDs langlebiger und effizienter machen. Im Jahr 2021 stellte ein Forschungsteam dafür einen Emitterfarbstoff vor, der auf der Kombination zweier organischer Moleküle und einer thermisch angeregten Lichtemission beruhte.
Ein weiteres, neues System haben nun Zhen Zhang von der Universität Schanghai und seine Kollegen entwickelt. Ihr Emittermaterial beruht auf der Kombination von Carbazol und Triazin, zwei flachen, mehrere aromatische Kohlenwasserstoffringe aufweisenden Verbindungen. Diese werden über ein Siliziumatom miteinander verbunden. Bei Anregung dieses Kombi-Moleküls durch ein elektrisches Feld kommt es zu zwei verschiedenen Formen des Ladungstransfers: Einem Austausch innerhalb des Moleküls und einem zweiten zwischen benachbarten Molekülen.
Mehr Leuchtkraft dank „Exciplex“
Der Clou dabei: Beide Formen des Ladungstransfers geben Energie in Form von Photonen ab und bringen so das Material zum Leuchten. Zhang und Kollegen bezeichnen dies als zweikanalige intra-/intermolekulare Exciplex-Emission. Bei einem Exciplex handelt es sich um einen elektronisch angeregten Molekülkomplex, bei dem die positiven „Löcher“ im energiereichsten Molekülorbital des Donors mit den Elektronen des niedrigsten Anregungsniveaus im Akzeptor gekoppelt sind.
„Mit der Exciplex-Strategie lässt sich eine tiefblaue Elektrolumineszenz erreichen, weil sich die Energieniveaus der elektronenspendenden Carbazolfragmente und der elektronenaufnehmenden Triazinfragmente unabhängig voneinander einstellen lassen“, erklärt Koautor Stefan Bräse vom Karlsruher Institute für Technologie (KIT).
Neuer Rekord in der Quanteneffizienz
Das Ergebnis dieser molekularen Kombination ist eine organische Leuchtdiode, die eine leuchtstarke, tiefblaue Elektrolumineszenz erzeugt. In ersten Tests erreichte diese blaue OLED eine externe Quanteneffizienz von 20,35 Prozent bei einer Leuchtdichte von 5.000 Candela pro Quadratmeter, wie Zhang und sein Team berichten. Die externe Quanteneffizienz gibt das Verhältnis zwischen der bewirkten Strahlungsleistung und der zugeführten elektrischen Leistung an
„Unseres Wissens nach sind dies die bisher besten bisher erzielten Leistungen für so hohe Luminanzen“, schreiben die Forschenden. Zudem habe das neue Emittermaterial eine relativ hohe thermische Stabilität. Die neuen blauen OLEDs sind daher potenziell langlebiger als bisherige Varianten. Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet ihr Ansatz neue Möglichkeiten, leistungsfähigere blaue OLEDs zu entwickeln.
Hinzu kommt: „Die leichte Synthese des Moleküls und die einfache Herstellung der Bauelemente bereiten den Weg für eine neue Generation effizienter und langlebiger tiefblauer OLEDs“, sagt Bräse. (Science Advances, 2023; doi: 10.1126/sciadv.adf4060)
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie
