Faszination Technik OLEDs mit stabiler tiefblauer Elektrolumineszenz

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie durch ein neuartiges Molekül blaue OLEDs künftig stärker leuchten und weniger schnell verblassen sollen.

Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, stecken bereits in vielen Smartphones, Tablets und großflächigen Fernsehern. Sie kommen ohne zusätzliche Hintergrundbeleuchtung aus und sind daher energieeffizient. Auch lassen sie sich in Dünnschichttechnik kostengünstig herstellen und funktionieren ebenfalls auf flexiblen Trägermaterialien, was biegsame Displays und variable Raumbeleuchtungslösungen ermöglicht. Jedoch liegt eine Herausforderung in der Herstellung blauer OLEDs – diesen mangelte es bisher an Leuchtdichte und Stabilität.

Wie eine OLED funktioniert

Eine OLED besteht aus zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist. Dazwischen befinden sich dünne Schichten aus organischen halbleitenden Materialien. Das Leuchten kommt durch Elektrolumineszenz zustande. Beim Anlegen eines elektrischen Felds werden Elektronen von der Kathode sowie Löcher (positive Ladungen) von der Anode in die als Emitter fungierenden organischen Materialien injiziert. Dort treffen sich Elektronen und Löcher und bilden Elektronen-Loch-Paare. Diese zerfallen anschließend in ihren Ausgangszustand und geben dabei Energie frei, welche die organischen Materialien zur Aussendung von Licht nutzen. Alle Farbtöne werden durch Mischung der drei Farben Blau, Grün und Rot erzeugt.

Warum die Farbe Blau Schwierigkeiten macht

Bisher gibt es für kommerzielle Anwendungen lediglich die Farben Rot und Grün als phosphoreszierende, das heißt länger nachleuchtende OLEDs. Die Farbe Blau gibt es als fluoreszierende OLEDs, die nur kurz leuchten. Bei blauen OLEDs ist es schwierig, hohe Effizienz, hohe Lumineszenz und lange Lebensdauer miteinander zu vereinbaren – die blauen Pixel leuchten schwächer oder verblassen schneller als die grünen und roten Pixel.

Eigens hergestelltes, neuartiges Molekül bringt die Lösung

Forschende am Institut für Organische Chemie (IOC) sowie am Institut für Biologische und Chemische Systeme – Funktionelle molekulare Systeme (IBCS-FMS) des KIT haben nun zusammen mit Wissenschaftlern an der Shanghai-Universität eine neue Strategie zur Herstellung hocheffizienter und stabiler tiefblauer organischer Leuchtdioden entwickelt. Sie stellten ein neuartiges Molekül her, bestehend aus Carbazol- und Triazinfragmenten, die über ein Siliziumatom verbunden sind (CzSiTrz).

Wenn sich diese Moleküle zu Nanopartikeln zusammenlagern, kommt es bei elektronischer Anregung laut KIT zu einer intramolekularen Ladungstransfer-Emission und einer intermolekularen Exciplex-Lumineszenz, was zu einer zweikanaligen intra-/intermolekularen Exciplex-Emission führt. Diese erlaube eine effiziente tiefblaue Elektrolumineszenz, da sich die Energieniveaus der elektronenspendenden Carbazolfragmente und der elektronenaufnehmenden Triazinfragmente unabhängig voneinander einstellen lassen.

Effiziente und langlebige tiefblaue OLEDs

So gelang es dem Team, tiefblaue OLEDs mit einer externen Quanteneffizienz von 20,35 Prozent zu erzeugen. Die externe Quanteneffizienz gibt das Verhältnis zwischen der bewirkten Strahlungsleistung und der zugeführten elektrischen Leistung an. Zudem erreichen diese OLEDs eine hohe Leuchtdichte von 5 000 Candela pro Quadratmeter. Das wahrnehmbare Blau hat auf der Normfarbtafel der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) die Koordinaten 0,157/0,076.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Science Advances

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