17.08.2018 - Kyushu University

Intelligente Fluoreszenzfarbstoffe

Responsiver Farbstoff mit modulierbarer Photo- und Elektrolumineszenz

Die größte Schwierigkeit bei der Entwicklung von Fluoreszenz- und Phosphoreszenzfarbstoffen liegt in der exakten Einstellung der angeregten Elektronenzustände. Wissenschaftler in Japan haben nun ein organisches Lumineszenzsystem mit einem ungewöhnlichen reizresponsiven Farbumschlag entwickelt. Das Besondere: Die neue Farbe leuchtet unter Anregung genauso intensiv wie die Ursprungsfarbe. Erklärt wird dieses Phänomen durch einen recht einfachen Phasenübergang innerhalb des Festkörpers. Das Verhalten könnte für optoelektronische Anwendungen wie bei intelligenten OLEDs interessant sein.

Das Phänomen der Lumineszenz gilt als sehr umfassend erforscht. Eine große Hürde in der Entwicklung der Pigmente bleibt aber der mögliche Verlust an Wirkungsgrad, etwa durch Phasenänderungen im Festkörper. Pigmente können altern und machen somit moderne Technologien wie organische Leuchtdioden anfällig. Wissenschaftler um Takuma Yasuda an der Kyushu University in Fukuoka (Japan) haben nun ein grün fluoreszierendes Pigment hergestellt, dessen Fluoreszenzfarbe ohne größeren Verlust des Wirkungsgrads nach orange umschlägt, wenn ein äußerer Reiz ausgeübt wird. Es könnte sich für intelligente optoelektronische Systeme und Sensoren eignen.

Lumineszierende molekulare Systeme benötigen genau definierte angeregte Zustände ihres Elektronensystems und möglichst störungsfreie Elektronenübergänge. Nur dann senden diese Substanzen nach Anregung mit Licht oder elektrischer Energie farbiges Licht mit hohem Wirkungsgrad aus. Werden diese Elektronenübergänge gestört, verteilt sich die Energie und löscht die Fluoreszenz. Der Farbstoff, den Yasuda und seine Gruppe synthetisierten, hat eine recht einfache längliche symmetrische Struktur mit gängigen Chromophoren, den farbgebenden chemischen Gruppen. Die Wissenschaftler bemerkten nun, dass eine Änderung in der Morphologie der festen Substanz, also beim Erhitzen oder Reiben, deren Fluoreszenzfarbe zwischen grün und orange umschlagen lässt.

Dieser Befund wurde durch Röntgenkristallographie und Berechnungen theoretisch untermauert. Demnach nimmt der angeregte Zustand im nichtkristallinen, amorphen Festkörper eine etwas entspanntere Architektur als im Kristall ein: Die Winkel in der ins sich verdrehten Farbstoffstruktur unterscheiden sich leicht. Entsprechend sendet der amorphe Festkörper Licht etwas längerer Wellenlänge aus als der Kristall.

Anwenden ließe sich eine solche Zweifarbenemission eines Pigments in anspruchsvoller Optoelektronik und Sensorik. Hierfür stellten die japanischen Autoren fest, dass ein dünner Film der Substanz orange fluoresziert, nach längerem Erhitzen und Abkühlen jedoch grün. Den so behandelten Film ritzten die Wissenschaftler ein. Da die geritzten Bereiche wieder orange fluoreszierten, konnten sie sogar auf grünem Hintergrund orange fluoreszierende Wörter schreiben.

Eine besonders anspruchsvolle Anwendung sind die organischen Leuchtdioden, die OLEDs. Ein üblicher OLED-Aufbau mit dem Pigment zeigte helle Elektrolumineszenz, berichteten die Autoren. Hierbei leuchteten die OLEDs grün, lag das Pigment kristallin vor, orange hingegen, wenn es amorph war. Mit zwei Elektrolumineszenzfarben bei einem Pigment biete sich die Substanz besonders für intelligente, responsive Materialien an.

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