Mehr Licht, weniger Wärme: Forschern ist es gelungen, ein großes Manko von organischen Leuchtdioden zu umgehen – den drastischen Leistungsverlust bei hohen Stromstärken. Dank einer speziellen Nanostruktur verringerten sie in ihrem Prototyp die Störprozesse und ermöglichten so helles Leuchten auch bei hoher Stromstärke. Das könnte den Weg für organische Diodenlaser ebnen, wie die Forscher im Fachmagazin „Applied Physics Letters“ berichten.
Organische Leuchtdioden (OLED) gelten als flexible und günstige Alternative zu normalen LEDs. Sie ermöglichen biegsame, dünne Displays und vielleicht künftig sogar organische Diodenlaser. Bisher allerdings ist letzteres noch Zukunftsmusik. Denn die Lichtausbeute der OLEDS ist zu gering und das Halbleitermaterial arbeitet gerade bei höheren Stromstärken noch viel zu ineffektiv, um ausreichend Leistung für einen Laser zu erzielen.
Leistungsabfall bei hohen Stromstärken
„Laser operieren unter Extrembedingungen, mit elektrischen Stromstärken, die deutlich höher sind als in normalen Displays oder Leuchten“, erklärt Thuc-Quyen Nguyen von der University of California in Santa Barbara. Berechnungen zeigen, dass OLED-basierte Laser Stromdichten von mindestens einigen Kiloampere pro Quadratzentimeter erreichen müssten. „Unter diesen Bedingungen aber werden die Energieverluste in OLEDS so hoch, dass sie das Lasern unmöglich machen.“
Einen der Gründe dafür haben die Forscher nun genauer untersucht – und behoben. In OLEDS werden organische Halbleiter-Moleküle durch elektrischen Strom angeregt und geben beim Rückfall in den ursprünglichen Zustand Licht ab. „Man kann sich dies wie Menschen in einem Zug vorstellen“, erklärt Chihaya Adachi von der Universität Kyushu. Freie Sitze repräsentieren Löcher – positive Ladungen im Molekül – und Fahrgäste stehen für negativ geladenen Elektronen. Setzen sich Fahrgäste hin, entspricht dies dem Rückfall eines angeregten Moleküls in den Grundzustand – es gibt Licht ab.
Nanostruktur hemmt Störprozesse
Will man einen OLED-Laser konstruieren, dann muss man dafür mehr Strom anlegen – es steigen an einem Ende des Wagens mehr Fahrgäste ein. Das jedoch führt zu einem Stau: Es wird so voll, dass die Fahrgäste zusammenstoßen und sich nicht hinsetzen können. Ähnliches passiert im OLED bei hohen Spannungen: „Die Helligkeit wird dann durch Annihilationsprozesse begrenzt“, erklärt Adachi. Die Energie wird durch Kollisionen und andere Prozesse in Wärme umgewandelt und geht verloren, statt als Licht abgegeben zu werden.
Dieses Problem haben Adachi und seine Kollegen nun umgangen. Sie konstruierten eine OLED, bei der eine spezielle, durch einen Elektronenstrahl applizierte Nanostrukturierung des Materials die Störprozesse deutlich verringert. „In unserem Gerät haben wir quasi den Zugang zum Zug auf die Mitte des Wagens beschränkt“, erklärt Adachi. „Dadurch verteilen sich die Fahrgäste auf die beiden leereren Enden des Wagens und Kollisionen und Annihilationen werden verringert.“
Ihr Prototyp erreicht Stromdichten von 2,8 Kiloampere pro Quadratzentimeter und behält dabei eine Leuchtkraft bei, die um das Hundertfache höher liegt als bei früheren OLED-Modellen, wie die Forscher berichten. Mit Hilfe der neuen Nanotextur lassen sich daher nicht nur effektivere OLEDS konstruieren, sie sind ihrer Ansicht nach auch ein wichtiger Schritt hin zu OLED-basierten Lasern. (Applied Physics Letters, 2015; doi: 10.1063/1.4913461)
(American Institute of Physics, 03.03.2015 – NPO)
