24.06.2022 - Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences

Nicht nur Diamanten glänzen, auch stickstoffdotierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe leuchten hell

Neuartige Moleküle für die Anwendung als OLED-Emitter

Elektronische Bildschirme haben seit den Anfängen der Kathodenstrahlröhren einen langen Weg zurückgelegt. Moderne Anzeigegeräte, die auf organischen Leuchtdioden (OLED) basieren, sind kompakt genug, um uns in tragbaren Geräten wie Smartphones und Smartwatches überall hin zu begleiten. Dennoch muss die Leistung von OLED-basierten Displays weiter verbessert werden, insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz und Farbreinheit, die sich beide direkt auf den Stromverbrauch auswirken. Vor kurzem hat ein Forscherteam der beiden Institute der Polish Academy of Sciences (PAS), Institute of Physical Chemistry PAS and Institute of Organic Chemistry PAS, und von der Silesian University of Technology eine Reihe neuer chemischer Verbindungen vorgeschlagen, die als Emitter für OLEDs dienen können und uns einen Schritt näher an robuste und nachhaltige Technologien für tragbare Elektronik heranführen. Werfen wir einen genaueren Blick auf ihre Entdeckung.

Elektronische Bildschirme sind in unserem täglichen Leben allgegenwärtig, und zwar in einem Ausmaß, das noch vor wenigen Jahrzehnten unvorstellbar gewesen wäre. Bis Anfang der 2010er Jahre wurden in den meisten tragbaren Geräten Flüssigkristallanzeigen (LCDs) verwendet, die grundsätzlich dadurch eingeschränkt sind, dass sie kein eigenes Licht erzeugen, sondern das von einer Hintergrundbeleuchtung ausgestrahlte Licht filtern. Daher sind LCDs relativ sperrig und neigen dazu, einen schlechten Kontrast zwischen hell und dunkel zu bieten. OLED-Displays hingegen strahlen von sich aus Licht aus, ohne dass sie eine Hintergrundbeleuchtung benötigen. Daher können sie dünner und leichter gebaut werden und erreichen einen höheren Kontrast als LCDs.

Die lichtemittierende Komponente einer OLED ist eine organische Halbleiterschicht, die zwischen zwei Elektroden liegt, von denen eine transparent ist, um Licht durchzulassen. Die Farbe des emittierten Lichts hängt von der Zusammensetzung der Halbleiterschicht ab - unterschiedliche Emitterverbindungen erzeugen unterschiedliche Farben. Zu den derzeit üblicherweise verwendeten Emitterverbindungen gehören heteroaromatische Verbindungen und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die eine helle Emission erzeugen, allerdings auf Kosten einer geringen Farbreinheit. Darüber hinaus weisen viele dieser Verbindungen eine schlechte chemische und thermische Stabilität auf, was die Verarbeitung erheblich erschwert und zu den hohen Herstellungskosten beiträgt. Es gibt also noch viel Raum für Verbesserungen bei der Entwicklung von Emitterverbindungen.

Angesichts dieser Herausforderungen haben sich Wissenschaftler aus drei führenden Forschungseinrichtungen in Polen zusammengetan, um neuartige Moleküle für die Verwendung als OLED-Emitter vorzuschlagen. Ihr Forschungskonsortium wurde von Dr. Marcin Lindner vom Institut für Organische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften initiiert. Das Projekt wurde ins Leben gerufen, als er eine Reihe potenzieller neuer Emitter entwarf, die auf aromatischen elektronenabgebenden und -aufnehmenden Einheiten basieren, die durch einen antiaromatischen siebengliedrigen Ring überbrückt werden. Die Inspiration für diesen Entwurf lieferte die Beobachtung, dass viele bestehende Emitter eine direkte Verbindung zwischen den Donor- und den Akzeptoreinheiten aufweisen, was jedoch gewisse Vorteile mit sich bringt. Was wäre, wenn der Donor- und der Akzeptorteil stattdessen durch einen antiaromatischen Ring verbunden wären? Ein weiterer innovativer Aspekt von Dr. Lindners Entwurf ist die Wahl der elektronenliefernden Gruppe: eine stickstoffdotierte (oder N-dotierte) PAH-Einheit. Die Stickstoffdotierung bewirkt, dass das Molekülskelett eine leicht konkave, schalenförmige Geometrie annimmt, die dazu beiträgt, unerwünschte Stapelwechselwirkungen in der kondensierten Phase zu verringern.

Dr. Lindner: "Das Grunddesign unserer N-dotierten PAHs hat sich als recht flexibel erwiesen, und ihre Eigenschaften reagieren sehr stark auf die Wahl der elektronenakzeptierenden Gruppe. So können wir beispielsweise den Emissionsmechanismus zwischen thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz (TADF) und Phosphoreszenz bei Raumtemperatur (RTP) einstellen. Dadurch haben wir ein hohes Maß an Kontrolle über das Emissionsprofil".

Nachdem die N-dotierten PAK von Dr. Lindners Forschungsgruppe synthetisiert worden waren, wurden ihre optischen und elektronischen Eigenschaften von Prof. Dr. Przemysław Data, Professor an der Fakultät für Physik, eingehend charakterisiert. Przemysław Data, einem Spektroskopiker von der Schlesischen Technischen Universität, gründlich charakterisiert. Insbesondere hat die Forschungsgruppe von Prof. Data hat insbesondere die Emissionsspektren der N-dotierten PAK unter verschiedenen Bedingungen aufgezeichnet und die Energieniveaus der Molekülorbitale gemessen.

Außerdem stellte die Gruppe von Prof. Data Prototypen von OLEDs her, die die neuen Verbindungen enthielten, und maß deren externe Quanteneffizienzen (EQEs). Erfreulicherweise wurde festgestellt, dass die am besten funktionierende N-dotierte PAH eine EQE von 12 % erreicht, die höher ist als die von bereits existierenden Donor-Akzeptor-Emittern eines ähnlichen Typs.

Die experimentelle Arbeit wurde durch quantenchemische Berechnungen des Teams unter der Leitung von Dr. Adam Kubas, einem theoretischen Chemiker vom Institut für physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften, ergänzt. Dr. Kubas und seine Gruppe führten modernste Computersimulationen der Strukturen und Eigenschaften der N-dotierten PAK durch. Ihre Simulationen lieferten einige Erkenntnisse, die mit Experimenten allein nicht zu erreichen gewesen wären.

"In Bezug auf die elektronische Struktur sind die N-dotierten PAHs ziemlich exotisch. Das Vorhandensein des siebengliedrigen Rings zwischen der Donor- und der Akzeptoreinheit entkoppelt die beiden teilweise, aber nicht vollständig. Folglich weisen diese Verbindungen kleine, aber positive Singulett-Triplett-Energielücken auf, was die Emission durch TADF erleichtert". - erklärt Michał Kochman, ein Postdoktorand in der Gruppe von Dr. Kubas.

Die vollständigen Ergebnisse dieser Studie wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht. Doch damit ist die Geschichte noch nicht zu Ende: Das Forschungskonsortium setzt seine Bemühungen fort, verbesserte Emitter für energieeffiziente OLED-Displays zu entwickeln. Das Team geht davon aus, dass wir bald von der zweiten Generation N-dotierter PAHs mit noch besseren Eigenschaften hören werden. Der Hauptgrund für diese schnellen Fortschritte ist die Beteiligung von Spezialisten aus verschiedenen Bereichen, die unterschiedliche Fähigkeiten und Fachkenntnisse einbringen.

Dr. Kubas stimmt dem zu: "Qualitativ hochwertige Wissenschaft braucht eine interdisziplinäre Einstellung. In unserem Forschungsprojekt hat die enge Zusammenarbeit zwischen experimentellen Chemikern und Theoretikern einige vielversprechende neue Materialien mit hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften hervorgebracht. Vor allem konnten wir ein völlig neues Paradigma für das Design von stark emittierenden N-dotierten PAHs demonstrieren."

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