Blaue organische Leuchtdioden leuchten nun heller und länger
Bislang gibt es für kommerzielle Anwendungen lediglich die Farben Rot und Grün als länger nachleuchtenden organische Leuchtdioden (OLEDs). Das kann sich nun ändern. Forschenden ist es dank einer neuen Strategie gelungen, hocheffiziente und stabile tiefblaue organische OLEDs zu entwickeln.
Dank eines neuartigen Moleküls sollen blaue OLEDs künftig heller leuchten und weniger schnell verblassen.
Foto: Markus Breig, KIT
Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Shanghai-Universität haben eine neue Strategie entwickelt, um effiziente tiefblaue OLEDs herzustellen. Diese zeichnen sich durch ihre Energieeffizienz und Flexibilität aus. Allerdings stellte die Herstellung blauer OLEDs bisher eine Herausforderung dar, da ihnen Leuchtdichte und Stabilität fehlten. Um dieses Problem zu lösen, hat das Forschungsteam ein speziell entwickeltes Molekül eingesetzt. Dieses ermöglicht bei elektronischer Anregung eine zweikanalige intra-/intermolekulare Exciplex-Emission und eine tiefblaue Elektrolumineszenz. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Wie funktionieren OLEDs?
Organische Leuchtdioden sind bereits in vielen Smartphones, Tablets und großflächigen Fernsehern zu finden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Displays benötigen OLEDs keine zusätzliche Hintergrundbeleuchtung, wodurch sie energieeffizient sind. Sie können kostengünstig in Dünnschichttechnik hergestellt werden und funktionieren auch auf flexiblen Trägermaterialien, was die Entwicklung biegsamer Displays und variabler Raumbeleuchtungslösungen ermöglicht.
Eine OLED, was für „organic light-emitting diode“ steht, besteht aus zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist. Zwischen den Elektroden befinden sich dünne Schichten aus organischen halbleitenden Materialien. Das Leuchten entsteht durch Elektrolumineszenz. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, werden Elektronen von der Kathode sowie Löcher (positive Ladungen) von der Anode in die organischen Materialien eingespritzt, die als Emitter fungieren.
Dort treffen Elektronen und Löcher aufeinander und bilden Elektronen-Loch-Paare. Diese Paare zerfallen dann in ihren Ausgangszustand und setzen dabei Energie frei, die von den organischen Materialien genutzt wird, um Licht abzugeben. Alle Farbtöne werden durch Mischen der drei Grundfarben Blau, Grün und Rot erzeugt.
Das Problem mit der Farbe Blau
Bislang waren für kommerzielle Anwendungen in OLEDs nur die Farben Rot und Grün verfügbar, die als phosphoreszierende OLEDs ausgeführt sind und eine längere Nachleuchtdauer aufweisen. Die Farbe Blau wurde bisher nur in Form von fluoreszierenden OLEDs realisiert, die eine kurze Leuchtdauer haben. Die Herausforderung bei blauen OLEDs besteht darin, hohe Effizienz, hohe Lumineszenz und eine lange Lebensdauer miteinander zu vereinen, da die blauen Pixel schwächer leuchten oder schneller verblassen als die grünen und roten Pixel.
Forschende am Institut für Organische Chemie (IOC) sowie am Institut für Biologische und Chemische Systeme – Funktionelle molekulare Systeme (IBCS-FMS) des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Shanghai-Universität eine neue Strategie zur Herstellung hoch effizienter und stabiler tiefblauer organischer Leuchtdioden entwickelt.
Emission innerhalb der Moleküle und zwischen den Molekülen lässt tiefblaue OLEDS effizient und stabil leuchten.
Foto: Zhen Zhang
Neues Molekül regt die blaue Farbe an
Die Forschenden haben ein neues Molekül entwickelt, das aus Carbazol- und Triazinfragmenten besteht und durch ein Siliziumatom miteinander verbunden ist (CzSiTrz). Wenn diese Moleküle sich zu Nanopartikeln zusammenschließen, kommt es bei elektronischer Anregung zu einer Emission von Ladungstransfer innerhalb des Moleküls sowie zu einer Lumineszenz durch Exciplex-Bildung zwischen den Molekülen. Dadurch entsteht eine doppelte Emissionsquelle innerhalb und zwischen den Molekülen.
Ein Exciplex ist ein spezieller elektronisch angeregter Molekülkomplex, dessen Emission sich von den Emissionen der einzelnen Moleküle unterscheidet. Durch die Exciplex-Strategie ist es möglich, eine tiefblaue Elektrolumineszenz zu erzeugen, da die Energiestufen der Carbazol- und Triazinfragmente unabhängig voneinander eingestellt werden können. „Mit der Exciplex-Strategie lässt sich eine tiefblaue Elektrolumineszenz erreichen, weil sich die Energieniveaus der elektronenspendenden Carbazolfragmente und der elektronenaufnehmenden Triazinfragmente unabhängig voneinander einstellen lassen“, erklärt Professor Stefan Bräse vom IOC und IBCS-FMS des KIT.
Hohe Effizienz und Leuchtdichte
Das Forschungsteam konnte durch seine Arbeit tiefblaue OLEDs mit einer außergewöhnlich hohen externen Quanteneffizienz von 20,35 Prozent erzeugen. Die externe Quanteneffizienz gibt das Verhältnis zwischen der erzeugten Strahlungsleistung und der zugeführten elektrischen Leistung an.
Zusätzlich weisen diese OLEDs eine hohe Leuchtdichte von 5.000 Candela pro Quadratmeter (cd/m²) auf. Auf der Normfarbtafel der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) liegen die Koordinaten des wahrnehmbaren Blaus bei 0,157/0,076. „Die leichte Synthese des Moleküls und die einfache Herstellung der Bauelemente bereiten den Weg für eine neue Generation effizienter und langlebiger tiefblauer OLEDs“, so Bräse.
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