Propeller-Moleküle für hellere Leuchtflächen

Cambridge (Großbritannien)/Joensuu (Finnland) - Hell strahlende Flächen aus organischen Leuchtdioden, kurz OLED, finden sich in Smartphones, großen Flachbildschirmen und Designerlampen. Doch die kontrastreichen und dünnen Leuchtmodule wandeln trotz bereits geringen Strombedarfs nur einen Bruchteil des Stroms in Licht um. Britische und finnische Wissenschaftler behoben diesen Nachteil mit einer neuen Klasse lichtaktiver Moleküle mit Propeller-Struktur. So zeigte ihr OLED-Prototyp, den sie in der Fachzeitschrift „Science“ präsentieren, eine ungewöhnlich hohe Quanteneffizienz von nahezu 100 Prozent. Kommerzielle OLED erreichen im Vergleich nur etwa 25 Prozent. Verantwortlich dafür waren sehr schnelle, elektronische Übergänge in den lichtaktiven Propeller-Molekülen .

„Schon die erste Demonstration belegte, dass die neue Materialklasse die bisher etablierte OLED-Technologie überflügelt“, sagt Dan Credgington vom Cavendish Laboratory an der University of Cambridge. Für diesen Erfolg entwickelte er gemeinsam mit Kollegen der University of East Anglia in Norwich und der University of Eastern Finland in Joensuu komplexe metallorganische Verbindungen. In diesen dockten je zwei organische Molekülgruppen – zyklische Alkylaminocarbene – an ein Kupfer- oder Goldatom an. Die Struktur dieses Moleküls ähnelte dabei einem zweiflügligen Propeller. In einem Lösungsmittel verteilt, ließen sich diese lichtaktiven Substanzen zusammen mit weiteren knapp 100 Nanometer dünnen Schichten auf einem Trägermaterial deponieren.

Legten Credgington und Kollegen nun eine elektrische Spannung von bis 3,4 Volt an ihre OLED, wanderten Elektronen zwischen den beiden Flügeln des Propeller-Moleküls und sendeten dabei Lichtteilchen aus. Dieser Prozess vollzog sich überraschend schnell innerhalb von 350 Nanosekunden. Mit einer hohen Effizienz von bis zu 75 Lumen pro Watt erreichten erste Prototypen eine Helligkeit von über 70.000 Candela pro Quadratmeter. Kommerzielle OLED dagegen rangieren bei Werten von einigen tausend Candela pro Quadratmeter. „Diese Arbeit zeigt, wie drehende Moleküle über ein quantenmechanisches Phänomen die Leistung von OLED stark beeinflussen können“, sagt Dawei Di, Erstautor der Science-Studie.

Bis diese neue Klasse lichtaktiver Moleküle über günstige Beschichtungsprozesse auf große Flächen deponiert werden, wird es jedoch noch etwas dauern. Denn bisher emittieren die bis gut 270 Grad stabilen Propeller-Moleküle bevorzugt Licht im grünen Spektralbereich. Doch die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass sie weitere Varianten der Propeller-Moleküle entwickeln können, die dann auch blaues und rotes Licht aussenden. Werden all diese Varianten in einer mehrschichtigen OLED kombiniert, ließen sich über additive Farbmischung auch weiß leuchtende Flächen fertigen.