Neuartige organische Leuchtdioden: So strahlt das Blau heller und länger

Zweikanalige intra-/intermolekulare Exciplex-Emission ermöglicht effiziente tiefblaue Elektrolumineszenz

09.06.2023 - Deutschland

Dank eines neuartigen Moleküls sollen blaue OLEDs künftig heller leuchten und weniger schnell verblassen.

Markus Breig, KIT

organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, zeichnen sich durch Energieeffizienz und Flexibilität aus. Doch eine Herausforderung liegt in der Herstellung blauer OLEDs – diesen mangelte es bisher an Leuchtdichte und Stabilität. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Shanghai-Universität haben nun eine neue Strategie zum Herstellen effizienter tiefblauer OLEDs entwickelt: Ein eigens hergestelltes neuartiges Molekül ermöglicht bei elektronischer Anregung eine zweikanalige intra-/intermolekulare Exciplex-Emission und erlaubt dadurch tiefblaue Elektrolumineszenz. Die Forschenden berichten in der Zeitschrift Science Advances.

In vielen Smartphones, Tablets und großflächigen Fernsehern stecken bereits organische Leuchtdioden. Sie kommen ohne zusätzliche Hintergrundbeleuchtung aus und sind daher energieeffizient, lassen sich in Dünnschichttechnik kostengünstig herstellen und funktionieren auch auf flexiblen Trägermaterialien, was biegsame Displays und variable Raumbeleuchtungslösungen ermöglicht. Eine OLED (steht für: organic light-emitting diode) besteht aus zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist. Dazwischen befinden sich dünne Schichten aus organischen halbleitenden Materialien. Das Leuchten kommt durch Elektrolumineszenz zustande. Beim Anlegen eines elektrischen Felds werden Elektronen von der Kathode sowie Löcher (positive Ladungen) von der Anode in die als Emitter fungierenden organischen Materialien injiziert. Dort treffen sich Elektronen und Löcher und bilden Elektronen-Loch-Paare. Diese zerfallen anschließend in ihren Ausgangszustand und geben dabei Energie frei, welche die organischen Materialien zur Aussendung von Licht nutzen. Alle Farbtöne werden durch Mischung der drei Farben Blau, Grün und Rot erzeugt.

Warum die Farbe Blau Schwierigkeiten macht

Bisher gibt es für kommerzielle Anwendungen lediglich die Farben Rot und Grün als phosphoreszierende, das heißt länger nachleuchtende OLEDs. Die Farbe Blau gibt es als fluoreszierende OLEDs, die nur kurz leuchten. Bei blauen OLEDs ist es schwierig, hohe Effizienz, hohe Lumineszenz und lange Lebensdauer miteinander zu vereinbaren – die blauen Pixel leuchten schwächer oder verblassen schneller als die grünen und roten Pixel. Forschende am Institut für Organische Chemie (IOC) sowie am Institut für Biologische und Chemische Systeme – Funktionelle molekulare Systeme (IBCS-FMS) des KIT haben nun zusammen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der Shanghai-Universität eine neue Strategie zur Herstellung hocheffizienter und stabiler tiefblauer organischer Leuchtdioden entwickelt.

Die Forschenden stellten ein neuartiges Molekül her, bestehend aus Carbazol- und Triazinfragmenten, die über ein Siliziumatom verbunden sind (CzSiTrz). Wenn die Moleküle sich zu Nanopartikeln zusammenlagern, kommt es bei elektronischer Anregung zu einer intramolekularen Ladungstransfer-Emission und einer intermolekularen Exciplex-Lumineszenz, was zu einer zweikanaligen intra-/intermolekularen Exciplex-Emission führt. Bei einem Exciplex handelt es sich um einen elektronisch angeregten Molekülkomplex; seine Emission unterscheidet sich von den Emissionen der angeregten Einzelmoleküle. „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 Professor Stefan Bräse vom IOC und IBCS-FMS des KIT.

Neue OLEDs erreichen hohe externe Quanteneffizienz und hohe Leuchtdichte

So gelang es dem Team, tiefblaue OLEDs mit einer rekordverdächtigen externen Quanteneffizienz von 20,35 Prozent zu erzeugen. Die externe Quanteneffizienz gibt das Verhältnis zwischen der bewirkten Strahlungsleistung und der zugeführten elektrischen Leistung an. Zudem erreichen diese OLEDs eine hohe Leuchtdichte von 5 000 Candela pro Quadratmeter (cd/m2). Das wahrnehmbare Blau hat auf der Normfarbtafel der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) die Koordinaten 0,157/0,076. „Die leichte Synthese des Moleküls und die einfache Herstellung der Bauelemente bereiten den Weg für eine neue Generation effizienter und langlebiger tiefblauer OLEDs“, so Bräse.

Originalveröffentlichung

Zhen Zhang, Dehai Dou, Rongrong Xia, Peng Wu, Eduard Spuling, Ke Wang, Jin Cao, Bin Wei, Xifeng Li, Jianhua Zhang, Stefan Bräse, and Zixing Wang: Efficient deep-blue luminescence based on dual-channel intra/intermolecular exciplexes. Science Advances, 2023

https://www.chemie.de/news/1180714/neuartige-organische-leuchtdioden-so-strahlt-das-blau-heller-und-laenger.html