Schon lange sind Forscher auf der Suche nach Materialien für organische Leuchtdioden oder OLEDs. Die am schweizerischen Paul Scherrer Insitut (PSI) gefundene Substanz könnte nun dabei helfen, neue Leuchtmittel in Zukunft schnell und preisgünstig zu entwickeln.
Bei der Verbindung handelt es sich um einen gelblichen Feststoff. Löst man ihn in einer Flüssigkeit oder bringt eine dünne Schicht davon auf einer Elektrode auf und legt dann einen elektrischen Strom an, leuchtet er intensiv grün. Der Grund: Die Moleküle nehmen die ihnen zugeführte Energie auf und strahlen sie in Form von Licht nach und nach wieder ab (Elektrolumineszenz).
OLEDs großflächig einsetzen
Seit etwa drei Jahren finden sich organische Leuchtdioden beispielsweise in den Displays von Smartphones oder auch ersten flexiblen Fernsehbildschirmen. Sie machen zudem kostengünstige großflächige Raumbeleuchtungen möglich. Allerdings müssen für dafür zunächst die passenden Materialien gefunden werden.
Denn viele Substanzen, die für OLEDs infrage kommen, enthalten teure Metalle wie Iridium, was ihre Anwendung in großem Maßstab und auf ausgedehnten Flächen verhindert. Ohne solche Zusätze können die Materialien aber nur einen kleinen Teil der ihnen zugeführten Energie tatsächlich als Licht abstrahlen, der Rest geht beispielsweise als Schwingungsenergie verloren.
Preisgünstige und gut verfügbare Metalle wie Kupfer versprechen hier Fortschritte. PSI-Forscher haben jetzt die kupferhaltige Verbindung CuPCP genauer untersucht. In der Mitte der Moleküle sitzen jeweils vier Kupferatome, umgeben von Kohlenstoff- und Phosphoratomen. Kupfer ist ein relativ günstiges Metall, und die Verbindung selbst lässt sich gut in großen Mengen herstellen.
„Wir wollten verstehen, wie der angeregte Zustand der Verbindung aussieht“, berichtet Grigory Smolentsev, Physiker in der Forschungsgruppe Operando-Spektroskopie. Sprich: Wie verändert sich die Substanz, wenn sie Energie aufnimmt? Ändert sich dabei beispielsweise die Struktur des Moleküls? Wie verteilt sich nach der Anregung die Ladung auf die einzelnen Atome?
„Das verrät uns, wie hoch vermutlich die Energieverluste sind, die nicht als Licht frei werden“, sagt Smolentsev. „Und das zeigt uns, wie wir diese Verluste vielleicht minimieren können.“
Weitere Verbindungen für OLEDs finden
Mit zwei Großforschungsanlagen am PSI – der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL – sowie der European Synchrotron Radiation Facility im französischen Grenoble nahmen die Forschenden um Smolentsev die kurzlebigen angeregten Zustände der Kupferverbindung unter die Lupe. Die Messungen bestätigten, dass die Substanz aufgrund ihrer chemischen Struktur ein guter Kandidat für OLEDs ist.
Die quantenchemischen Eigenschaften der Verbindung machen eine hohe Lichtausbeute möglich. Ein Grund dafür: Das Molekül ist relativ steif, und seine 3D-Struktur verändert sich bei einer Anregung nur wenig. Jetzt können die Wissenschaftler darangehen, die Substanz für den Einsatz in OLEDs weiter zu optimieren.
Die an den drei Großforschungsanlagen gewonnenen Daten halfen außerdem dabei, die theoretischen Berechnungen von Molekülen zu verbessern. „So lässt sich in Zukunft besser voraussagen, welche Verbindungen für OLEDs geeignet sind und welche weniger“, erklärt Smolentsev. Mit den Messdaten wird ersichtlich, welcher Teil des Moleküls einer hohen Effizienz im Weg steht. „Und natürlich, wie sich die Verbindung verbessern lässt, um ihre Lichtausbeute zu erhöhen.“
Die Studienergebnisse wurden am 1. Mai 2020 in Nature Communications veröffentlicht.
