Das Innenleben von organischen Leuchtdioden

Mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) lässt sich aus Strom kostengünstig und nachhaltig Licht erzeugen. Zentral dafür ist die Verwendung von effizienten Farbstoffmolekülen. Deren Funktionsweise hat nun ein Team von theoretischen Chemiker*innen der Universität Wien mittels Computer-Simulationen aufgeklärt. Ihre Ergebnisse sind jetzt im renommierten Journal „Angewandte Chemie“ veröffentlicht worden.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) bringen die Bildschirme von Smartphones, Computern und TV-Geräten zum Leuchten. Verglichen mit herkömmlichen, anorganischen LEDs sind diese flexibler, kostengünstiger und nachhaltiger herzustellen. Dabei beinhalten sie mikroskopisch-kleine Farbstoffmoleküle, in die mittels elektrischer Halbleiter positive und negative Ladungen eingebracht werden. Die Kombination der gegensätzlichen Ladungen in den Farbstoffmolekülen gibt diesen extra Energie, die durch Ausstrahlen von Lichtteilchen wieder abgeben werden kann. So werden OLEDs zum Leuchten gebracht. Für einen kommerziellen und nachhaltigen Nutzen ist dabei eine effiziente Energieumwandlung besonders wichtig. „OLED-Farbstoffe der 3. Generation sind dabei führend in der Leuchteffizienz“, erklärt Leticia González, Leiterin des Instituts für Theoretische Chemie der Universität Wien. „Bei ihnen gelingt es mittels der sogenannten thermisch-aktivierten verzögerten Fluoreszenz (TADF) nahezu alle Ladungskombinationen zum Leuchten zu nutzen.“ Um diese OLEDs nun noch weiter zu verbessern, hat sich das Team um Leticia González Prozesse, die nach der Ladungskombination in den Farbstoffen stattfinden, genauer angeschaut.

Verhaltensforschung in OLEDs

Dabei wurde das Verhalten von effizienten TADF-basierten OLED-Farbstoffen („Emittern“) mit Hilfe von Computersimulationen analysiert. „So konnten wir den – simulierten – Bewegungen der Atomkerne und Elektronen in den Farbstoff-Molekülen sehr detailliert folgen und wichtige Aspekte des Leuchtmechanismus erforschen“, erklärt Studien-Erstautor Patrick Zobel.

Arbeitsteilung im Farbstoff

Die untersuchten Farbstoffmoleküle gehörten dabei zu einer Klasse von TADF-Emittern, die aus zwei organischen Molekülteilen bestehen, die mittels eines Kupfer-Atoms verbunden sind. Bisher wurde davon ausgegangen, dass nur die zwei organischen Molekülteile in der Ladungskombination und dem Leuchtprozess involviert sind. „In unseren Computer-Simulationen wurde die zentrale Rolle des verbrückenden Kupfer-Atoms im Farbstoff jedoch klar“, berichtet Mitautorin Anna Wernbacher. „Das Atom ist notwendig, um die Elektronen von ihrer ursprünglichen Anordnung nach der Ladungskombination zu ihrer finalen Anordnung für den Leuchtprozess zu bringen.“ Gleichzeitig – so zeigten die Simulationen – rotieren die Atomkerne der organischen Molekülteile um die Achse des verbindenden Kupfer-Atoms. Die Studie rückt damit das Zusammenspiel der Kupfer-Atome und der organischen Molekülteile für die Weiterentwicklung von TADF-basierten OLED-Farbstoffen in den Fokus – und wirft so ein neues Licht auf mögliche Optimierungen zukünftiger OLEDs.