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Forschung ermöglicht Entwicklung von energieeffizienteren organischen Leuchtdioden Kupfer als Leuchtstoff in OLEDs

| Autor / Redakteur: Monika Landgraf / Linda Kuhn

Organische Leuchtdioden (OLEDs) gelten als Lichtquelle der Zukunft: Sie geben Licht gleichmäßig in alle Betrachtungsrichtungen ab, liefern brillante Farben und hohe Kontraste. Nun haben Forscher das Phänomen des Intersystem Crossing in einem Kupferkomplex gemessen, womit sie zur Entwicklung von energieeffizienteren OLEDs beitragen.

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Farbstoffe als Grundlage für organische Leuchtdioden werden dank dem Wissen über ihre Quantenmechanik maßgeschneidert.
Farbstoffe als Grundlage für organische Leuchtdioden werden dank dem Wissen über ihre Quantenmechanik maßgeschneidert.
(Bild: KIT)

Der Einsatz von Kupfer als Leuchtstoff ermöglicht kostengünstige und umweltverträgliche organische Leuchtdioden. Dabei sorgt die thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF) für eine hohe Lichtausbeute. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der CYNORA GmbH und der Universität Saint Andrews haben das zugrundeliegende quantenmechanische Phänomen des Intersystem Crossing in einem Kupferkomplex gemessen. Mit diesen Ergebnissen können OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) energieeffizienter gestaltet werden.

Breites Einsatzfeld für OLEDs

Da sich OLEDs transparent und flexibel herstellen lassen, eröffnen sie neue Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten, wie flächige Lichtquellen auf Fensterscheiben oder rollbare Displays. OLEDs bestehen aus ultradünnen Schichten organischer Materialien, die als Emitter dienen, zwischen zwei Elektroden.

Beim Anlegen einer Spannung werden Elektronen von der Kathode sowie Löcher (positive Ladungen) von der Anode in den Emitter injiziert. Dort treffen Elektronen und Löcher zu gebundenen Elektronen- Loch-Paaren zusammen. Bei diesen sogenannten Exzitonen handelt es sich um Quasiteilchen im angeregten Zustand. Sie zerfallen anschließend in ihren Ausgangszustand und geben dabei Energie frei.

Allerdings können die Exzitonen zwei verschiedene Zustände annehmen: Singulett-Exzitonen zerfallen sofort wieder und senden Licht aus, während Triplett-Exzitonen ihre Energie als Wärme freigeben. In OLEDs treten gewöhnlich 25 Prozents Singuletts und 75 Prozent Tripletts auf. Um die Energieeffizienz einer OLED zu erhöhen, müssen auch die Triplett-Exzitonen zur Lichterzeugung genutzt werden. Dies geschieht in herkömmlichen organischen Leuchtdioden durch die Beimischung von Schwermetallen wie Iridium oder Platin, die teuer und nur begrenzt verfügbar sind sowie aufwendige Herstellungsverfahren bedingen.

Wie Kupfer OLEDs kostengünstiger macht

Eine kostengünstigere und umweltverträglichere Möglichkeit besteht im Einsatz von Kupferkomplexen als Emittermaterialien. Dabei sorgt thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF – Thermally Activated Delayed Fluorescence) für hohe Lichtausbeute und damit hohe Effizienz: Triplett-Exzitonen werden in Singlet-Exzitonen verwandelt, die wiederum Photonen aussenden. TADF beruht auf dem quantenmechanischen Phänomen des Intersystem Crossing (ISC), einem Übergang von einem elektronischen Anregungszustand in einen anderen mit veränderterer Multiplizität, beispielsweise vom Singulett zum Triplett und umgekehrt. Bei organischen Molekülen bestimmend ist dabei die Spin-Bahn-Kopplung, das heißt die Wechselwirkung des Bahndrehimpulses eines Elektrons in einem Atom mit dem Spin des Elektrons. So lassen sich alle Exzitonen, Tripletts wie Singuletts, zur Lichterzeugung nutzen. Kupfer als Leuchtstoff erreicht mit TADF eine Effizienz von 100 Prozent. MM

* Monika Landgraf ist Pressesprecherin des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in 76131 Karlsruhe, Tel. (0721) 608 - 47414, presse@kit.edu

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