Liegende Moleküle leuchten besser

Orientierungsmodell für Iridium-Komplexe mit aliphatischen (grün) sowie aro­matischen (grau) Bereichen. Die aromatische Matrix bildet eine Grenzfläche zum Vakuum, an der sich die Moleküle ausrichten. (Bild: U. Augsburg)

Orientierungs­modell für Iridium-Komplexe mit ali­phatischen (grün) sowie aro­matischen (grau) Be­rei­chen. Die aro­matische Matrix bildet eine Grenz­fläche zum Vakuum, an der sich die Moleküle aus­richten. (Bild: U. Augsburg)

Die räumliche Orien­tierung der Mole­küle ist eine essen­zielle Schlü­ssel­­ei­gen­schaft in der or­ga­nischen Elek­tronik. Die spe­zifische Aus­richtung der Mo­le­küle be­ein­flusst wich­tige Para­meter or­ga­nischer opto­elek­tro­nischer Bau­teile, wie z. B. die elek­tri­schen Trans­port­­eigen­schaf­ten oder auch die Ab­sorp­tion und die Emi­ssion von Licht. Des­halb ist die Orien­tie­rung von or­ga­ni­schen Farb­stoff­­­mo­le­külen ge­rade im Be­reich der or­ga­ni­schen Leucht­dioden OLEDs in den letzten Jah­ren immer stär­ker zum Gegen­stand inten­si­vier­ter For­schung ge­worden. Wissen­schaftler aus Augs­burg und Los An­ge­les haben nun den Orien­tierungs­pro­zess von phos­pho­res­zen­ten organo-metall­ischen Kom­ple­xen un­ter­sucht und können damit eine sig­ni­fi­kante Stei­gerung der Effi­zienz von OLEDs in Aus­sicht stellen.

Die For­schungs­gruppe „Or­ga­nische Halb­lei­ter“ von Wolf­gang Brütting am Lehr­stuhl Ex­peri­men­tal­­­physik IV der Uni Augs­burg hat früh Pionier­arbeit auf dem Ge­biet der Orien­tierung orga­nischer Farb­stoff­­mole­külen im OLED-Kon­text ge­lei­stet. Be­reits 2011 konnte sie in Ko­ope­ration mit einer Forscher­­gruppe an der japa­nischen Kyushu University erstmals nachweisen, dass organische Farb­stoff­mole­küle, die unter Vakuums­­­be­­dingungen zusammen mit einem Wirts­­ma­terial durch einen ther­mischen Auf­dampf­­prozess als dünne Schicht auf eine Subs­trat­­ober­fläche auf­ge­bracht werden, sich nicht zu­fällig, sondern aus­geprägt lie­gend in der Schicht­ebene orien­tie­ren. Die räum­liche Ver­tei­lung der Licht­emi­ssion sol­cher orga­nischen Farb­stoffe äh­nelt der­jeni­gen eines klassi­schen elek­tri­schen Di­pols, die vor allem senk­recht zu ihrer Achse ab­strahlt. Dies bringt enor­me Vor­tei­le für die Licht­aus­beute und er­weist sich da­mit als ein viel­ver­sprechendes Kon­zept der Effi­zienz­­stei­ge­rung von OLEDs.

Seit dieser Ent­deckung haben Brütting und seine Ar­beits­gruppe nicht nur eine in­zwi­schen eta­blierte Unter­suchungs­­methode ent­wickelt, um die räum­liche Orien­tierung der so­ge­nannten Über­gangs­­dipol­momente, die für die Emi­ssion und Absor­ption von Licht ver­ant­wort­lich sind, in Ab­hängig­keit der Subs­trat­­­ober­fläche zu bestimmen; zu­sammen mit For­schern des Fraun­hofer-Ins­ti­tuts in Jena und der Osram OLED GmbH in Regens­burg haben sie erstmals auch die an­iso­trope, vor­wie­gend hori­zon­tale Orien­tierung im Falle eines phos­phores­­zen­ten Iridium-Kom­plexes nachweisen können. Aufgrund der enormen, bis zur Verdopplung reichenden Steigerung der Effizienz, die mit der hori­zon­talen Orien­tie­rung der Farb­stoff­mole­küle mög­lich wird, haben die For­scher seit­her in­ten­siv die mög­liche Be­ein­flussung und die zu­grunde­­­lie­gen­den Me­cha­nismen der un­gleich­mä­ßigen, hori­zon­talen Orien­tierung untersucht.

Ein großes Hin­der­nis bei diesen Unter­suchungen war der Um­stand, dass die Orien­tierung der Farb­stoff­mole­küle in den mit ihnen do­tier­ten or­ga­nischen Schich­ten sich nicht di­rekt be­stimmen lässt, son­dern dass viel­mehr le­dig­lich die räum­liche Ver­tei­lung der strah­lenden Über­gangs­­dipol­­momente aller Farb­stoff­mole­küle erkenn­bar ist. Des­halb war es bisher nicht mög­lich, die mole­kulare Orien­tie­rung mit den Er­geb­nissen der räum­lichen Emissions­­inten­sitäts­­ver­tei­lung zu ver­knüpfen. Eine solche Ver­knüpfung ist aber wie­derum eine un­ver­zicht­bare Voraus­set­zung, um die mole­kulare Orien­tierung ge­zielt be­ein­flussen zu können.

Jetzt ist es den Augs­burger Phy­si­kern um Brütting und seinem Mit­arbeiter Tobias Schmidt in Koope­ration mit For­schern der Uni­versity of Southern Cali­fornia in Los Angeles ge­lungen, an­hand von Unter­su­chungen spe­zieller phos­phores­zenter, or­gano-metallischer Iridium-Komplexe einen ent­scheidenden Schritt bei der Lö­sung des Pro­blems weiter zu kommen. Sie konn­ten nicht nur zwei bis­herige Theo­rien durch die geschickte Syn­these ver­schie­dener Mo­leküle und der an­schlie­ßenden Be­stimmung der Orien­tie­rung ihrer Über­gangs­­dipol­­mo­men­ten bei unter­schied­lichen Dotier­­kon­zen­tra­tionen wider­legen, son­dern zu­gleich auch eine neues Mo­dell der Orien­tierungs­­mecha­nismen prä­sen­tieren.

Dieses Mo­dell macht es mö­glich, die ge­messene Orien­tierung der Über­gangs­­di­pol­­mo­mente di­rekt mit der Orien­tie­rung der Mole­küle zu ver­knüpfen. Grund­lage des Mo­dells ist da­bei die Grenz­fläche zwi­schen der orga­nischen (aro­matischen) Ma­trix und dem Va­kuum, die beim Schicht­wachs­tum ent­steht. Die bis­her ge­fun­denen phos­phores­zenten Iri­dium-Kom­plexe mit aniso­troper Orien­tie­rung in OLEDs be­sitzen alle sowohl aro­ma­tische als auch nicht-aro­ma­tische – so­ge­nannte ali­pha­tische – Be­reiche in ihrer Mole­kül­struk­tur. Wäh­rend des Auf­dampfens auf das Subs­trat­­ma­terial orien­tieren sich die Farb­stoff­mole­kü­le mit ihren ali­pha­tischen Be­reichen zur Vakuum­seite an der Ober­fläche der auf­wach­senden Schicht. Durch die Kenn­tnis der Lage der Über­gangs­­dipol­­mo­mente auf dem Farb­stoff­mole­kül lässt sich die mole­ku­lare Orien­tie­rung mit der mess­baren, auf die Subs­trat­ober­fläche be­zogenen räum­lichen Ver­tei­lung der Über­gangs­­dipol­­mo­mente in un­mittel­bare Be­ziehung setzen.

„Wir können da­mit nun auch Vor­her­sagen zur Orien­tierung be­lie­biger organo-metallischer Iri­dium-Mole­küle ma­chen, die es er­lau­ben, das De­sign dieser Farb­stoffe so zu ge­stal­ten, dass die Effi­zienz von OLEDs deut­lich ge­stei­gert wer­den kann“, er­läu­tert Brütting und ist über­zeugt: „Damit sind wir auf dem Weg zu effi­zien­teren, licht­stär­keren OLEDs einen ent­schei­denden Schritt weiter­ge­kommen.“ (Quelle: U. Augusburg / optik-photonik.de)

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