Kupfer macht organische Leuchtdioden effizienter

  • 04. January 2016

Forscher messen erstmals das zugrunde liegende quantenmechanische Phänomen.

Der Einsatz von Kupfer als Leuchtstoff ermöglicht kosten­günstige und umwelt­verträgliche organische Leucht­dioden, kurz OLEDs. Dabei sorgt die thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz für eine hohe Licht­ausbeute. Ein inter­nationales Team unter Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie hat nun das zugrunde­liegende quanten­mechanische Phänomen des Intersystem Crossing in einem Kupfer­komplex gemessen.

Farbstoffe

Abb.: Farbstoffe als Grundlage für organische Leuchtdioden lassen sich dank neuer Einblicke in ihre Quantenmechanik maßschneidern. (Bild: KIT)

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 von der Anode in den Emitter injiziert. Dort treffen Elektronen und Löcher zu gebundenen Elektronen-Loch-Paaren zusammen. Bei diesen 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, die teuer und nur begrenzt verfügbar sind sowie aufwendige Herstellungs­verfahren bedingen.

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, 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 hundert Prozent.

Das Forscherteam hat nun erstmals die Geschwindigkeit des Intersystem Crossing in einem hoch lumines­zierenden Kupfer(I)-Komplex in festem Zustand mit thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz 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 geht langsamer vonstatten 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.

KIT / RK

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