Molekulare Autobahn für Elektronen in organischen Leuchtdioden

Neues Materialkonzept eliminiert unerwünschte Effekte durch Verunreinigungen in organischen Leuchtdioden.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind inzwischen weit verbreitet. Für den Einsatz in Displays werden zusätzlich zu den Grundfarben Rot und Grün auch blaue OLEDs benötigt. Insbesondere bei blauen OLEDs führen Verunreinigungen zu starken elektrischen Verlusten, die teilweise durch hochkomplexe und teure Aufbauten umgangen werden können. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung hat nun ein neues Materialkonzept entwickelt, das potentiell effiziente blaue OLEDs mit einer stark vereinfachten Struktur ermöglicht.

Von Fernsehern bis hin zu Smartphones: Organische Leuchtdioden (OLEDs) finden sich heute in vielen Geräten, die wir täglich nutzen. Um ein Bild anzuzeigen, werden sie in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau benötigt. Insbesondere Leuchtdioden für blaues Licht sind noch schwierig herzustellen, da blaues Licht – physikalisch gesehen – eine hohe Energie hat, was die Entwicklung von Materialien erschwert.

Vor allem das Vorhandensein von winzigen Mengen an Verunreinigungen im Material, die nicht entfernt werden können, spielt eine entscheidende Rolle für deren Leistung. Diese Verunreinigungen – zum Beispiel Sauerstoffmoleküle – bilden Hindernisse für Elektronen, die sich im Inneren der Diode bewegen und am Lichterzeugungsprozess beteiligt sind. Wenn ein Elektron von einem solchen Hindernis eingefangen 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 erheblich.

Ein Team unter der Leitung von Paul Blom, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, hat nun das Problem dieses Ladungseinfangs adressiert. Zu diesem Zweck haben sie eine neue Klasse von Molekülen verwendet. Diese bestehen aus zwei chemischen Teilen, von denen einer für die Elektronenleitung verantwortlich ist, während der andere Teil unempfindlich gegenüber Verunreinigungen ist. Durch Manipulation der chemischen Struktur des Moleküls wird eine besondere räumliche Anordnung erreicht: Werden mehrere Moleküle verbunden, bilden sie eine Art „Spirale“ – das heißt, der elektronenleitende Teil der Moleküle bildet den inneren Teil, der nach außen hin durch den anderen Teil abgeschirmt wird. Dies ähnelt auf molekulare Weise einem Koaxialkabel mit einem elektronenleitenden inneren Kern und einem äußeren Teil, der den Kern abschirmt.

Der Mantel bildet also eine Art „Schutzschicht“ für den elektronenleitenden Kern und schirmt ihn gegen das Eindringen von Sauerstoffmolekülen ab. So können sich die Elektronen schnell und ungehindert entlang der zentralen Achse der Spirale bewegen, ohne aufgehalten zu werden, ähnlich wie Autos auf einer Autobahn ohne Kreuzungen, Ampeln oder andere Hindernisse.

„Das Besondere an unserem neuen Material ist, dass die Abwesenheit von Verlusten durch Verunreinigungen und der daraus resultierende effiziente Elektronentransport das Design von blauen OLEDs stark vereinfachen kann, während gleichzeitig eine hohe Effizienz erhalten bleibt“, sagt Paul Blom.

Die Forscher hoffen, mit ihrer Arbeit einen wichtigen Schritt in Richtung einer einfacheren Herstellung von blauen Leuchtdioden gemacht zu haben. Ihre Ergebnisse haben sie jetzt in der Zeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Jasper Michels
michels@mpip-mainz.mpg.de

Dr. Gert-Jan Wetzelaer
wetzelaer@mpip-mainz.mpg.de

Originalpublikation:

Sachnik, O., Tan, X., Dou, D. et al. Elimination of charge-carrier trapping by molecular design. Nat. Mater. (2023).
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01592-3

https://www.mpip-mainz.mpg.de/865667/PM2023-13?c=595459