Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die im Dunkeln sieht man doch - Warum organischen Leuchtdioden nicht mehr Lichter aufgehen

11.04.2005


Wie sieht der Bildschirm der Zukunft aus? Extrem flach, biegsam, selbstleuchtend, farbecht und kontrastreich - wenn sich die organischen Leuchtdioden, kurz OLEDs, erst einmal durchgesetzt haben. Erste Displays sind bereits auf dem Markt, wobei sie meist kleine Moleküle in ihrer Farbschicht enthalten (SMOLEDs). Andere Geräte nutzen Polymere, also langkettige Kohlenstoffverbindungen (PLEDs). Es wurde bislang vermutet, dass in der bei PLEDs für das Leuchten verantwortlichen Kunststoffschicht die Umwandlung eines Anregungszustandes auftreten kann, die höhere Wirkungsgrade ermöglicht. Ein Team um Dr. John Lupton vom Department für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München konnte dies jetzt widerlegen, wie in der aktuellen Ausgabe von Nature Materials berichtet. "Unsere Aussage klingt damit auf den ersten Blick nicht unbedingt positiv", meint Lupton. "Das Ergebnis hat aber ganz erhebliche technologische Relevanz, besonders für Firmen, die Produktionslinien aufbauen wollen."



Die Technologie der organischen Leuchtdioden basiert auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz. Die Bauelemente sind aus mehreren, extrem dünnen Schichten aufgebaut. Eine davon, die Kathode, injiziert Elektronen. Eine andere, die Anode, entfernt Elektronen, so dass Löcher oder "leere Zustände" entstehen, in die Elektronen fallen können. Elektronen und Löcher können sich frei bewegen und treffen zwischen Kathode und Anode zusammen. Dort befindet sich eine dünne Schicht aus organischem Farbstoff. Elektronen und Löcher kombinieren, wenn sie aufeinander treffen, und bilden ein so genanntes Exziton. Dabei wird in der Farbstoffschicht Energie in Form eines Photons frei: Licht wird emittiert.



Bei diesem Vorgang ist es wichtig, das Exziton in einen geeigneten Anregungszustand zu versetzen. Dieser Zustand wird durch die quantenmechanische Größe des Elektronspins - quasi der Rotationsrichtung des Elektrons - vorgegeben. "Wenn ein Elektron und ein Loch in der Farbstoffschicht zusammentreffen, gibt es vier mögliche Spinkombinationen", berichtet Lupton. "Eine davon bildet ein so genanntes Singulett, die drei anderen Tripletts. Singulett- und Triplett-Zustände entstehen also im Verhältnis 1:3." Sichtbares Licht emittieren kann aber nur das Singulett, also eines von vier Exzitonen. Tripletts dagegen geben die Energie in Form von Wärme ab. Ein erheblicher Teil der elektrischen Energie geht damit in den dunklen Triplettkanälen verloren. Der elektrische Wirkungsgrad der LED ist zunächst auf maximal 25 Prozent limitiert, also nur 25 Prozent der aufgewendeten elektrischen Energie lässt sich zur Lichterzeugung nutzen.

"Wir sind der Frage nachgegangen, ob es - wie von vielen vermutet - in Polymeren eine Spinumwandlung von dunklen Tripletts zu strahlenden Singuletts gibt", berichtet Lupton. "Die Antwort ist nein." Das Triplett ist ein dunkler Zustand, der bislang nur sehr indirekt verfolgt werden konnte. Lupton und sein Team konnten nun erstmals nachweisen, dass in den Polymeren prinzipiell keine Umwandlung von Tripletts zu Singuletts stattfindet. Sie entwickelten eine spezielle Methode, die Tripletts in dem Polymer direkt sichtbar zu machen. Dabei ermöglichen kleinste metallische Verunreinigungen im Polymer eine direkte Emission des Tripletts - der dunkle Zustand wird hell. "Seit Jahren gibt es die Diskussion, ob langkettige Polymere besser für organische Leuchtdioden geeignet sind, weil der Anteil der elektrisch gebildeten Triplettanregungen geringer sein könnte als bei kleinen Molekülen", so Lupton. "Die Hoffnung, dass Tripletts zu Singuletts übergehen, haben wir jetzt aber eindeutig entkräftet. Das Verhältnis Singulett zu Triplett kann nicht über 1:3 liegen."

Die irrtümlicherweise vermutete Spinkonversion der Tripletts galt bislang als ein großer Vorteil der PLEDs gegenüber den SMOLEDs, die erheblich aufwändiger herzustellen sind. SMOLEDs müssen in einem aufwändigen Verfahren unter Vakuum fabriziert werden. PLEDs dagegen können relativ einfach, beispielsweise mit einer Art Tintenstrahldrucker, hergestellt werden. "Seit kurzem existieren allerdings Ansätze, auch SMOLEDs entsprechend zu produzieren", berichtet Lupton. "Damit schrumpft der Vorsprung der PLEDs in Bezug auf Prozessierbarkeit." Auf der technischen Seite hinken die Polymere den kleinen Molekülen in manchen Aspekten sogar ein paar Jahre hinterher, vor allem in Hinsicht auf die Effizienz - und auch bei der Lösung des Triplettproblems.

Bei SMOLEDs wurden bereits erfolgreich molekulare Komplexe in die Farbstoffschicht eingebracht. Deren besondere chemische Eigenschaften ermöglichen, dass die Tripletts direkt unter Aussendung von Licht zerfallen. "Bei diesen so genannten phosphoreszierenden Emittern lassen sich Quantenausbeuten von nahezu 100 Prozent erreichen", so Lupton. Das Verfahren ist bei Polymeren prinzipiell auch möglich, aber noch nicht so weit fortgeschritten, weil die Frage nach der Triplettumwandlung geklärt schien. "Das Problem ist, dass in dem Gebiet oft etwas dogmatisch argumentiert wird", meint Lupton. "Schließlich stecken Milliarden von Euro hinter der SMOLED- und der PLED-Technologie sowie Millionenbeträge in entsprechenden Forschungsgeldern. Wir argumentieren nun, dass man sich in Zukunft auf die Lösung des Triplettproblems bei den Polymeren konzentrieren muss, anstatt es einfach zu ignorieren."

Die neuen Ergebnisse zerschlagen damit weniger ein Forschungsfeld, als dass sie ein neues anstoßen: die Einbringung phosphoreszierender Emitter in die Polymere. Aber auch für andere Gebiete sind die Resultate von Interesse. "Wir haben uns erstmals die Umwandlung zwischen Spinzuständen in einem organischen Halbleiter angeschaut", meint Lupton. "Dabei ist überraschend, dass der Spin über einen sehr langen Zeitbereich, bis zu Millisekunden bei Raumtemperatur, erhalten bleibt. Solche langen Spinspeicherzeiten sind auch für die Spintronik von Interesse, einer Technologie, die den Spin der Ladungen ausnutzt, nicht aber die elektrische Ladung selbst." (suwe)

Originalpublikation:
M. Reufer, M. J. Walter, P. G. Lagoudakis, A. B. Hummel, J. S. Kolb, H. G. Roskos, U. Scherf, J. M. Lupton
"Spin-conserving carrier recombination in conjugated polymers"
Nature Materials 4 (4), 340 (2005)

Ansprechpartner:
Dr. John Lupton
Department für Physik und Center for NanoScience
Tel:089/2180-3356
Fax: 089/2180-3318
E-Mail: John.Lupton@Physik.Uni-Muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Elektron Leuchtdiode Lupton PLEDs Polymer SMOLEDs Singulett Triplett

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert
09.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Elektronenautobahn im Kristall
09.12.2016 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie