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.

 

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.

 

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..

 

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.

 

Originalveröffentlichung:

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, 2699-2704, DOI 10.1073/pnas.1719303115