Leuchtdioden auf Polymerbasis

Polymere erstrahlen in neuem Licht

Eine neuartige Methode, elektrischen Strom mit Hilfe konjugierter Polymere in Licht zu verwandeln, wurde von einem deutsch-österreichischen Forscherteam entdeckt. Damit könnten auch neue Anwendungen im Bereich winzigster Festkörperlaser und der Quantenoptik entstehen, hoffen die Forscher.

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Leuchtdioden aus Kunststoff, die Strom in Licht verwandeln können, werden schon seit über einem Jahrzehnt erforscht. Dabei hat sich herausgestellt, dass über die Hälfte der elektrisch generierten Anregungen in dunklen Zuständen verschwinden, die kein Licht ausstrahlen können und stattdessen Wärme generieren. Dies führt im Allgemeinen zu einer Reduktion der Lebensdauer solcher Bauelemente sowie zu einer Beschränkung des Wirkungsgrades.

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Nun haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, dem Institut für Chemie an der Universität Potsdam, dem Christian Doppler Laboratory of Advanced Functional Materials am Institut für Festkörperphysik der TU Graz sowie dem Institut für nanostrukturierte Materialien und Photonik in Weiz, Österreich, entdeckt, dass eine kleine Zahl chemisch gebundener Metallatome ausreicht, diese dunklen Zustände zum Strahlen zu bringen. Die überraschende Entdeckung ist nicht nur technologisch hoch relevant, sondern zeigt auch die große Wirkung auf, die kleinste Verunreinigungen in organischen optoelektronischen Systemen bewirken können.

Im Allgemeinen unterscheidet man zwischen zwei grundlegenden Emissionsprozessen, der Fluoreszenz und der Phosphoreszenz. Die Phosphoreszenz spielt im Alltag eine wichtige Rolle, wie etwa bei Bildschirmröhren. Sie unterscheidet sich im Wesentlichen von der Fluoreszenz durch um Größenordnungen längere Lebensdauern des angeregten Zustandes. Während der Übergang des angeregten Zustandes zum Grundzustand in der Phosphoreszenz als verboten bezeichnet wird (der so genannte Tripletzustand), ist er in der Fluoreszenz erlaubt (der Singulettzustand). Daher weisen die meisten Materialien, insbesondere organische Verbindungen wie Farbstoffmoleküle und konjugierte Polymere, überwiegend Fluoreszenz und keine Phosphoreszenz auf. Nun ist das Problem, dass in organischen Leuchtdioden bis zu 75 Prozent der Anregungen im Tripletzustand entstehen und somit im Allgemeinen nicht-strahlend, also durch die Erzeugung von Wärme, zerfallen.

Jetzt hat das Forscherteam entdeckt, dass eine verschwindend kleine chemische Verunreinigung eines Polymers mit Metallatomen ausreicht, um effiziente Phosphoreszenz unter elektrischer Anregung zu ermöglichen. Durch einen speziellen Syntheseweg, der in der Gruppe von Prof. U. Scherf in Potsdam benutzt wird, gelang es, die auf Kohlenstoff und Wasserstoff basierende Struktur mit einer Konzentration von rund 80 millionstel Palladiumatomen zu versehen. Dies entspricht in etwa einem Palladiumatom auf 1.700 Wiederholeinheiten des Polymers.

John Lupton, Erstautor der Studie in dem Fachblatt Physical Review Letters, ist der Ansicht, dass der Effekt auch weit über Anwendungen in Leuchtdioden hinaus relevant sein wird: "Die Ansammlung von langlebigen Tripletzuständen ist ein altbekanntes Problem bei organischen Farbstofflasern, die in der Industrie und in der Forschung vielseitige Anwendung finden. Mit konjugierten Polymeren lassen sich kleinste Festkörperlaser konstruieren, die nun auch von den schadhaften Tripletanregungen befreit werden können. Dies ist mit Sicherheit ein wichtiger Schritt in die Richtung organischer Laserdioden, die bisher noch nicht realisiert werden konnten." Zudem seien auch Anwendungen in der Quantenoptik denkbar. Moleküle sind an und für sich hervorragende Einzelphotonenquellen, doch werden sie in regelmäßigen Abständen von dunklen Tripletzuständen blockiert, was Anwendungen in der Quantenkryptographie erschwert. Durch die strahlende und schnelle Deaktivierung von Tripletzuständen sollten diese Komplikationen beseitigt werden können.

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