Forschung

OLEDs mit Mangan

05.08.2021 - Neue Komplexe könnten auf teure Edelmetall wie Iridium verzichten.

Bildschirme von Smartphones und Katalysatoren für künstliche Photo­synthese, um mithilfe von Sonnenlicht beispiels­weise Brennstoffe herzustellen, enthalten oft sehr seltene Metalle. Iridium etwa, das in organischen licht­emittierenden Dioden zum Einsatz kommt, ist seltener als Gold und Platin. Auch Ruthenium, das in Solarzellen Verwendung findet, gehört zu den seltensten stabilen Elementen. Nicht nur sind diese Metalle durch ihre Seltenheit sehr teuer, sie sind in vielen Verbindungen auch toxisch. Einem Forschungs­team um Oliver Wenger und Patrick Herr von der Universität Basel ist es erstmals gelungen, leuchtende Mangan-Komplexe herzustellen, in denen unter Bestrahlung mit Licht die gleichen Reaktionen ablaufen wie in Ruthenium- oder Iridium-Verbin­dungen. Der Vorteil von Mangan: Es kommt in der Erdkruste 900.000-mal häufiger vor als Iridium, ist deutlich weniger giftig und um ein Vielfaches kosten­günstiger. 

Die Leucht­effizienz der neuen Mangan-Komplexe liegt gegenüber derjenigen von Iridium-Verbindungen derzeit noch zurück. Anders liegt der Fall bei den licht­getriebenen Reaktionen, die für die künstliche Photosynthese nötig sind. Diese Energietransfer- und Elektronen­übertragungs-Reaktionen liefen mit hohen Geschwin­digkeiten ab. Möglich wird dies durch die besondere Bauweise der neuen Komplexe, die bei Anregung mit Licht sofort zu einem Ladungs­transfer vom Mangan in Richtung seiner unmittelbaren Verbindungs­partner führt. Dieses Bauprinzip von Komplexen wird in bestimmten Typen von Solarzellen bereits genutzt, allerdings bisher meist mit Edelmetall-Verbin­dungen, manchmal auch mit Komplexen basierend auf dem Halbedel­metall Kupfer.

Durch die Aufnahme von Lichtenergie verzerren sich Komplexe aus kosten­günstigen Metallen normalerweise stärker als Edelmetall-Verbindungen. Dadurch beginnen die Komplexe zu schwingen und ein Großteil der aufgenommenen Lichtenergie geht verloren. Solche Verzer­rungen und Schwingungen konnten die Forschenden unterdrücken, indem sie maßge­schneiderte Molekül­bestandteile in die Komplexe einbauten, um das Mangan in eine steife Umgebung zu zwingen. Dieses Bauprinzip erhöht zudem die Stabilität der resul­tierenden Verbindungen und macht sie gegenüber Zersetzungs­prozessen robuster.

Bisher sei es noch niemandem gelungen, molekulare Komplexe mit Mangan zu schaffen, die bei Raum­temperatur in Lösung leuchten können und diese speziellen Reaktionseigenschaften hätten, so Wenger. „Patrick Herr und die beteiligten Post­doktoranden haben damit wirklich einen Durchbruch geschafft, der neue Möglich­keiten ausserhalb des Bereichs der Edelmetalle und Halbedel­metalle eröffnet.“ In zukünftigen Forschungs­arbeiten wollen Wenger und seine Forschungs­gruppe die Leucht­eigenschaften der neuen Mangan-Komplexe verbessern und sie auf geeigneten Halbleitermaterialien für Solarzellen verankern. Andere mögliche Weiter­entwicklungen wären wasserlösliche Varianten der Mangan-Komplexe, die möglicherweise anstelle von Ruthenium- oder Iridium-Verbindungen in der photo­dynamischen Therapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden könnten.

U. Basel / JOL

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