03.12.2021 - Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University

Forscher ebnen den Weg für organische, im Dunkeln leuchtende Materialien

Optimierung des Emissionsmechanismus und der verwendeten Moleküle konnte die Leistung von organischen Materialien um das Zehnfache verbessern

Im Dunkeln leuchtende Materialien werden weltweit für Notfallschilder, Uhren und Farben verwendet. Diese nützliche Eigenschaft beflügelt einen globalen Markt im Wert von etwa 400 Millionen US-Dollar. Doch die anorganischen Kristalle, die derzeit benötigt werden, um diese Fähigkeit auf einem hohen Leistungsniveau zu erzeugen, erfordern Seltenerdmetalle und Herstellungstemperaturen von über 1000 Grad Celsius. Forscher der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) und der Kyushu University, beide in Japan, haben nun in Nature Materials eine Methode entwickelt, um mit den leichter verfügbaren organischen Materialien ein im Dunkeln leuchtendes Licht zu erzeugen.

"Organische Materialien sind nicht nur viel leichter verfügbar und zu verarbeiten als anorganische Materialien, sie sind auch löslich, was das Potenzial hat, die Verwendung von im Dunkeln leuchtenden Objekten zu diversifizieren und zu erweitern, da die Eigenschaft zu Tinten, Filmen und Textilien hinzugefügt werden könnte", erklärte Prof. Chihaya Adachi, Direktor des Zentrums für organische Photonik und Elektronikforschung (OPERA) der Kyushu Universität. "Eine weitere wichtige Anwendung ist ihr potenzieller Einsatz in der Biobildgebung, der für die Gesundheitswissenschaften eine Vielzahl von Vorteilen haben könnte."

Im Jahr 2017 zeigten die Forscher zum ersten Mal, dass zwei organische Materialien einen Glow-in-the-Dark-Effekt erzeugen können. Dies war ein großer Erfolg und wurde in Nature veröffentlicht. Allerdings war die Leistung fast 100 Mal schwächer als bei den anorganischen Varianten. Die Forscher mussten nämlich ein ultraviolettes Licht verwenden, um die Emissionen zu erzeugen, sie mussten sich in einen dunklen Raum begeben, um das Licht zu sehen, und sie konnten die Proben nicht mit Sauerstoff bestrahlen. Nun haben die Forscher ein besseres Ergebnis erzielt, als sie von einer Methode mit zwei Komponenten zu einer Methode mit drei Komponenten übergingen und die verwendeten Moleküle änderten. Das Ergebnis waren Emissionen, die bei Raumtemperatur über eine Stunde lang anhielten, was eine zehnfache Verbesserung gegenüber der vorherigen Arbeit darstellt.

"Es ist ein vierstufiger Prozess, um den Glow-in-the-Dark-Effekt zu erzeugen: Ladungstransfer, Trennung, Rekombination und schließlich Emission", erklärt Prof. Ryota Kabe, der die Abteilung für organische Optoelektronik des OIST leitet. "In den Molekülen sind die Elektronen in Löchern eingeschlossen. Ein wichtiger Teil des Prozesses ist die Trennung der Elektronen von den Löchern. Wenn die beiden wieder zusammenkommen, entsteht das Leuchten."

In der bisherigen Forschung wurden bei der Anregung der organischen Materialien durch Licht Elektronen von einem Molekül, das als Elektronendonor bezeichnet wurde, auf ein Molekül, das als Elektronenakzeptor bezeichnet wurde, übertragen. Dabei kam es jedoch zu einem Problem, da der Elektronenakzeptor nicht viele Elektronen speichern konnte. Wenn die Elektronen zum Donor zurückkehrten, erzeugte diese Rekombination den Glüheffekt, aber da die Anzahl der gespeicherten Elektronen begrenzt war, war das Glühen nicht stark und verblasste schnell.

In dieser neuen Arbeit haben die Forscher jedoch einige Dinge anders gemacht. Erstens verwendeten sie Moleküle, die dafür sorgten, dass sich die Löcher bewegten und nicht die Elektronen. Dieses Lochdiffusionssystem verringerte die Wahrscheinlichkeit, dass die Moleküle mit der Luft reagierten, und sorgte dafür, dass die Proben leuchteten, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt waren. Zweitens fügten die Forscher eine dritte Komponente hinzu - einen Lochfänger, der Elektronen und Löcher länger voneinander trennte, so dass sich mehr Löcher bilden konnten und die resultierende Emissionszeit verlängert wurde. Und schließlich verwendeten sie Moleküle, die weniger Energie benötigen, um sich zwischen den verschiedenen Schritten des Prozesses zu bewegen, so dass der gesamte Prozess weniger Energie benötigt und die Emissionen im sichtbaren Licht und nicht nur im ultravioletten Licht erzeugt werden können.

"Durch die Optimierung der Methode ist es uns gelungen, die Leistung der organischen Moleküle im Vergleich zu früheren Arbeiten um das Zehnfache zu verbessern", schloss Prof. Kabe. "Die organischen Moleküle funktionieren jetzt auch an der Luft, wenngleich die Leistung noch schwach ist. Wir werden weiter daran arbeiten, die Emissionen zu optimieren, bis sie mit denen der anorganischen Kristalle gleichziehen."

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