Dank eines neuartigen Moleküls sollen blaue OLEDs künftig heller leuchten und weniger schnell verblassen. (Bild: Markus Breig, KIT)
In vielen Smartphones, Tablets und großflächigen Fernsehern sind bereits organische Leuchtdioden verbaut. Sie kommen ohne zusätzliche Hintergrundbeleuchtung aus und sind daher energieeffizient, lassen sich in Dünnschichttechnik kostengünstig herstellen und funktionieren auch auf flexiblen Trägermaterialien, was biegsame Displays und variable Raumbeleuchtungslösungen ermöglicht.
Aufbau einer OLED
Der Aufbau einer OLED umfasst normalerweise verschiedene Schichten. Dabei dient ein Substrat aus transparentem Kunststoff oder Glas als Träger. Eine Anode, die in der Regel aus einem transparenten leitfähigen Material wie Indiumzinnoxid (ITO) besteht, ermöglicht den Fluss der Löcher in die OLED. Auf die Anode sind dünne Schichten verschiedener organischer Halbleitermaterialien aufgebracht: Eine Lochleitungsschicht erleichtert den Fluss von Löchern von der Anode zur nächsten Schicht, der Emitterschicht (EL). In dieser Schicht ist ein Farbstoff enthalten, der für die Emission von Licht verantwortlich ist. Zum Elektronentransport in die EML folgt eine Elektronenleitungsschicht (ETL). Diese Elektronen werden von der Kathode in die ETL injiziert.
Legt man zwischen Anode und Kathode eine elektrische Spannung an, werden Löcher von der Anode und Elektronen von der Kathode in die EL transportiert. Dort rekombinieren sie und stellen die Energie zur Anregung des Farbstoffs zur Verfügung. Geht der angeregte Farbstoff in seinen Grundzustand über, sendet er Photonen aus. Dieser Vorgang heißt Elektrolumineszenz. Die Energie der Photonen ist kleiner als der Energieunterschied zwischen angeregtem Zustand und Grundzustand, da ein Teil als Wärme verlorengeht. Die Photonen-Wellenlänge bestimmt die Farbe des Lichts. Alle Farbtöne werden durch Mischung der drei Farben Blau, Grün und Rot erzeugt.
Schwierigkeit: blaue OLEDs
Bisher stehen für kommerzielle Anwendungen nur rote und grüne phosphoreszierende OLEDs mit einem hohen Wirkungsgrad und einer stabilen Geräteleistung zur Verfügung. Für rein tiefblaue Geräte gibt es bisher keinen passenden Emitter, deshalb sind sie immer noch auf die erste Generation rein fluoreszierender OLEDs angewiesen. Mit einem internen Quantenwirkungsgrad von weniger als 25 Prozent ist damit die Geräteleistung im Vergleich zu roten und grünen Varianten deutlich schlechter.
Das heißt, die blauen Pixel leuchten schwächer oder verblassen schneller als die grünen und roten Pixel. In weißen Lichtquellen, wie bei Monitoren, ist deshalb die gesamte Lebensdauer durch die der blauen Komponenten begrenzt.
Damit auch blaue OLEDs die die Anforderungen der Koordinaten des National Television Standards Committee (NTSC) für reines Blau (0,14, 0,08) in kommerziellen Produkten erfüllen können, arbeiten Wissenschaft und Industrie weltweit an Lösungen.
Neue Moleküle für langlebige Elektrolumineszenz
Eine wichtige Methode für den Zugang zu tiefblauer Emission ist das Verfahren der thermisch aktivierten verzögerten Fluoreszenz. In entsprechenden Molekülen kann ein thermisch angeregtes Elektron durch Reverse Intersystem Crossing (RISC) von einem nichtstrahlenden Triplett-Zustand in einen strahlenden Singulett-Zustand angehoben werden. Strahlender Zustand bedeutet, dass das Elektron beim Übergang in den Grundzustand ein Photon aussendet. Bei nichtstrahlenden Zuständen wird die Energie anders freigesetzt, beispielsweise in Form von Wärme.
Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben zusammen mit Wissenschaftlern an der Shanghai-Universität ein Molekül hergestellt, das eine tiefblaue langlebige Elektrolumineszenz ermöglicht. Es besteht aus Carbazol- und Triazinfragmenten, die über ein Siliziumatom verbunden sind (CzSiTrz) und sich zu Nanopartikeln zusammenlagern. Wird dieser Molekülkomplex elektronisch angeregt, kommt es zu einem Ladungstransfer innerhalb des Moleküls, bei dem Energie freigesetzt wird, und einer Lumineszenz zwischen den elektronisch angeregten Molekülkomplexen. Das führt zu einer zweikanaligen intra- und intermolekularen Exciplex-Emission mit schnellem und effizientem Reverse Intersystem Crossing. Exciplex ist der elektronisch angeregte Molekülkomplex, der durch intramolekulare oder intermolekulare Ladungsübergänge entsteht. Seine Emission unterscheidet sich von den Emissionen der angeregten Einzelmoleküle, da sich die Energieniveaus der Elektronen-spendenden Carbazolfragmente und der Elektronen-aufnehmenden Triazinfragmente unabhängig voneinander einstellen lassen.
So gelang es, tiefblaue OLEDs mit einer externen Quanteneffizienz von 20,35 Prozent zu erzeugen. Die externe Quanteneffizienz ist das Verhältnis zwischen der bewirkten Strahlungsleistung und der zugeführten elektrischen Leistung. Zudem erreichen die OLEDs eine Leuchtdichte von 5000 Candela pro Quadratmeter (cd/m2). Das wahrnehmbare Blau hat auf der Normfarbtafel der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) die Koordinaten 0,157/0,076.
Die leicht synthetisierbaren Moleküle und die einfache Herstellung der nötigen Bauelemente sollen den Weg für eine neue Generation effizienter und langlebiger tiefblauer OLEDs bereiten. (bs)
(Dieser Beitrag basiert auf vom KTI)
Elektrolumineszenz
Ein Elektron des Farbstoffs absorbiert die Energie, die bei der Rekombination von Elektronen und Löchern in der EL frei wird. Dadurch kann es vom Grundzustand (Singulett-Zustand) in einen energetisch höheren Singulett-Zustand übergehen, der der aufgenommenen Energie entspricht. Wie wahrscheinlich ein Übergang ist, legen die Auswahlregeln der Quantenmechanik fest, nach denen mache Übergänge erlaubt, andere verboten sind. Ist ein Übergang verboten, findet er entweder gar nicht statt, oder er ist durch bestimmte Ausnahmen zwar möglich, erfolgt allerdings sehr selten. Daher verbleiben die Elektronen lange in diesem Zustand, bevor sie wieder in den Grundzustand übergehen. Bei der Phosphoreszenz erfolgt ein verbotener Übergang vom angeregten Singulett-Zustand in einen angeregten Triplett-Zustand (intersystem crossing). Dieser Triplett-Zustand wird dann von zwei Elektronen mit gleichem Spin besetzt. Wenn das Elektron in den Grundzustand übergeht, ist eine Spinumkehr nötig, damit im Grundzustand wieder zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin vorliegen. Diese Spinumkehr ist nach den Auswahlregeln verboten. Es kann lange dauern, bis die Elektronen in den Grundzustand zurückgehen und dabei Licht ausstrahlen. Daher leuchtet das Licht bei der Phosphoreszenz lange nach. Bei der Fluoreszenz fällt das Elektron direkt in den Grundzustand zurück. Dieser Übergang ist quantenmechanisch erlaubt, da hier keine Spinumkehr erfolgen muss. Das Elektron verweilt also nicht lange im angeregten Zustand. Deshalb leuchtet das emittierte Licht nur kurz.
