Bayreuther Forscher entdecken Weg zur Farbsteuerung von OLEDs

Damit Bildschirme kräftiger leuchten

Organische Leuchtdioden (OLEDs) werden in Smartphones und TV-Geräten eingesetzt und unterstützen eine kontrastreiche Darstellung von Farben. In diesen Dioden werden als organische Halbleiter oft konjugierte Polymere eingesetzt. Forscher der Universität Bayreuth haben jetzt herausgefunden, wie die räumliche Struktur dieser Polymere genutzt werden kann, um die Farben der OLEDs zu steuern und Bildschirme noch besser zum Leuchten zu bringen. Im Wissenschaftsmagazin PNAS stellen sie diesen bisher unbekannten Mechanismus vor.

Polymere mit Rückgrat: Räumliche Strukturen bestimmen die Farben des Lichts

Im Mittelpunkt der neuen Forschungsergebnisse stehen Polymere, die sich für den Einsatz in organischen Leuchtdioden eignen. Aufgrund der aneinander geketteten molekularen Bausteine besitzen sie ein Rückgrat. Werden die Polymere nun einem Laserstrahl ausgesetzt, absorbieren sie das Licht und speichern es als Anregungsenergie. Diese Energie breitet sich an ihrem Rückgrat entlang aus. Kurz darauf wird sie durch Abstrahlung von Licht freigesetzt.

Bisher ist man davon ausgegangen, dass die Farbe des abgestrahlten Lichts davon abhängig sei, wie weit sich die Anregungsenergie in den Polymeren ausbreitet: Der Bereich, in dem sich die Energie ausdehnt, sei umso kleiner, je stärker die Polymere gekrümmt sind, hieß es. Doch die Bayreuther Wissenschaftler haben diese Annahmen jetzt widerlegt. Die von ihnen untersuchten Polymere haben ein chemisch identisches Rückgrat und sind unterschiedlich gekrümmt, aber die Anregungsenergie dehnt sich über gleich große Bereiche aus. Gekrümmte Polymere senden grünes oder blaues Licht aus, gestreckte Polymere strahlen gelb oder rötlich. „Wenn diese Polymere in organischen Leuchtdioden zum Einsatz kommen, können ihre unterschiedlichen räumlichen Strukturen genutzt werden, um die Farben des von den OLEDs abgestrahlten Lichts präzise zu steuern“, erklärt der Physiker Dominic Raithel M.Sc., Erstautor der jetzt in PNAS veröffentlichten Studie.

Wie die Bayreuther Forscher ebenfalls herausgefunden haben, besitzen gestreckte Polymere ein von ihren Seitenarmen gebildetes Gerüst, das die Streckung stabilisiert. „Daraus ergibt sich für Leuchtdioden ein besonderer Vorteil: Wenn gestreckte Polymere übereinander geschichtet werden, sorgen die Gerüste für Stabilität. Die Lichtemission wird dadurch nicht geschwächt“, sagt Raithel. Vor kurzem hat er seine Dissertation im DFG-Graduiertenkolleg „Photophysics of Synthetic and Biological Multichromophoric Systems“ der Universität Bayreuth abgeschlossen. Hier werden natürliche und künstliche organische Materialien in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit erforscht. So waren an der neuen Studie sowohl die Experimentalphysiker Prof. Dr. Anna Köhler und Prof. Dr. Jürgen Köhler als auch Prof. Dr. Mukundan Thelakkat als Experte für Funktionspolymere beteiligt.

Transatlantisches Zusammenspiel von Theorie und Experiment

Bei den vergleichenden experimentellen Untersuchungen der Polymere kamen verschiedene Spektroskopieverfahren zum Einsatz. „Entscheidend war dabei die Einzelmolekülspektroskopie bei sehr tiefen Temperaturen, für die uns hier in Bayreuth eine hochleistungsfähige Infrastruktur zur Verfügung steht. Mit dieser Methode konnten wir die Farben des emittierten Lichts und schließlich auch die Ausdehnung der Anregungsenergie über die kettenförmig aufgebauten Polymere bestimmen“, erklärt Dr. Richard Hildner, der die Forschungsarbeiten an der Universität Bayreuth koordiniert hat.

Die Bayreuther Wissenschaftler haben eng mit einer Arbeitsgruppe an der Rice University in Houston/Texas zusammengearbeitet. Hier wurden von Dr. Lena Simine und Prof. Dr. Peter J. Rossky umfangreiche Berechnungen zum Einfluss der Polymerstrukturen auf die Farbe des emittierten Lichts angestellt. Die Verbindung von experimentellen mit theoretischen Methoden führte schließlich zu Einblicken in die räumliche Struktur einzelner Polymerketten, die mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren nicht möglich sind.

Veröffentlichung:

Dominic Raithel, Lena Simine, Sebastian Pickel, Konstantin Schötz, Fabian Panzer, Sebastian Baderschneider, Daniel Schiefer, Ruth Lohwasser, Jürgen Köhler, Mukundan Thelakkat, Michael Sommer, Anna Köhler, Peter J. Rossky and Richard Hildner: Direct observation of backbone planarization via side-chain alignment in single bulky-substituted polythiophenes,
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America – PNAS 2018, vol. 115, no. 11, pp. 2699-2704.

DOI: 10.1073/pnas.1719303115

Forschungsförderung:

Die Forschungsarbeiten wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), vom Bayerischen Wissenschaftsministerium im Rahmen des Netwerks „Solar Technologies Go Hybrid“, vom Elitenetzwerk Bayern (ENB) sowie von der National Science Foundation (NSF) der USA. Prof. Dr. Michael Sommer (Universität Freiburg/TU Chemnitz) synthetisierte einige der untersuchten Polymere, Prof. Dr. Marin van Heel (Universität Leiden) entwickelte Algorithmen für die Datenanalyse.