Kupfer macht organische Leuchtdioden effizienter - Photonik

Kupfer macht organische Leuchtdioden effizienter

Der Einsatz von Kupfer als Leuchtstoff ermöglicht kostengünstige und umweltverträgliche organische Leuchtdioden (OLEDs). Wissenschaftler haben nun das zugrundeliegende quantenmechanische Phänomen des Intersystem Crossing in einem Kupferkomplex gemessen.

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

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 Prozent 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.

Eine kostengünstigere und umweltverträglichere Möglichkeit besteht im Einsatz von Kupferkomplexen als Emittermaterialien. Dabei sorgt thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF – Thermally Activated Delayed Fluorescence) für eine hohe Lichtausbeute und damit hohe Effizienz: Triplett-Exzitonen werden in Singulett-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. Bei organischen Molekülen ist dabei die Spin-Bahn-Kopplung bestimmend, d. h. 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.

Stefan Bräse und Larissa Bergmann vom Institut für Organische Chemie (IOC) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun gemeinsam mit Forschern der Firma CYNORA und der Universität Saint Andrews (Großbritannien) erstmals die Geschwindigkeit des Intersystem Crossing in einem hoch lumineszierenden Kupfer(I)-Komplex in festem Zustand mit TADF gemessen. Als Zeitkonstante für das Intersystem Crossing von Singulett zu Triplett ermittelten die Wissenschaftler 27 Pikosekunden. Der umgekehrte Vorgang – Reverse Intersystem Crossing – von Triplet zu Singulett erfolgt langsamer und führt zu einer TADF, die durchschnittlich 11,5 Mikrosekunden anhält. Diese Messungen führen zu einem besseren Verständnis der Mechanismen, die zu TADF führen, und erleichtern damit die gezielte Entwicklung von TADF-Materialien für energieeffiziente OLEDs.

Originalveröffentlichung:

[L. Bergmann, G. J. Hedley, T. Baumann, S. Bräse, I. D. W. Samuel, Direct observation of intersystem crossing in a thermally activated delayed fluorescence copper complex in the solid state, Science Advances (January 2016), DOI: 10.1126/sciadv.1500889]

www.kit.edu

 
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