Bor-dotierte Nanographene als blaue Leuchtstoffe für OLEDs

© Goethe Universität Frankfurt am Main

Wachsende technische Anforderungen an neue Displays für Tablets, Fernseher oder Smartphones erfordern permanente Optimierungen hinsichtlich Lebensdauer, Leuchtkraft und Energieverbrauch. Zugleich sollen die verwendeten Materialien nicht nur ein möglichst geringes Gewicht aufweisen, sondern auch vielfältig anwendbar und preisgünstig sein. In diesem Zusammenhang spielen Organische Leuchtdioden (OLEDs) eine zunehmend wichtige Rolle. Im Gegensatz zu den anorganischen LEDs, die nur als kleinflächige Punktlichtquellen einsetzbar sind, lassen sich OLEDs auch in großflächigen und mechanisch flexiblen Displays und Flachbildschirmen verbauen. Als Trägermaterialien können biegsame, elektrisch leitfähige Kunststofffolien dienen.

Wie funktioniert das Verfahren?

Während bei den LEDs das Licht in einem einzelnen Halbleiterkristall erzeugt wird, findet dieser Prozess bei den OLEDs in einer hauchdünnen Schicht aus organischen Molekülen oder Polymeren statt, die zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Mittels einer Spannung werden Elektronen von der Kathode und Elektronenlöcher von der Anode in die Struktur injiziert, die in den Emissionsschichten aufeinander treffen. Die dabei frei werdende Energie wird als Licht abgestrahlt.

Allerdings bleichen die bisher verwendeten blau leuchtenden organischen Verbindungen schneller aus als die Moleküle, die rotes oder grünes Licht erzeugen, wodurch das Farbspektrum des Displays nach einer gewissen Betriebsdauer aus der Balance geraten kann.

Welche Eigenschaften weisen borhaltige Nanographene auf?

Vertreter der Universität Frankfurt haben eine neue Generation blauer Emitter identifiziert, die zu den sog. Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK)/ Nanographenen zählen. Diese leiten sich von Graphit ab, der den elektrischen Strom ähnlich einem Metall leiten kann. Um diese Eigenschaften zu nutzen und zu verfeinern, wurde die innere Struktur der PAKs verändert indem man Fremdatome in das bestehende Kohlenstoffgerüst einbettete. Insbesondere das Element Bor stand im Mittelpunkt der Untersuchungen. Bor steht im Periodensystem eine Position links vom Kohlenstoff, weshalb es ein Elektron weniger besitzt. Um dies auszugleichen nehmen borhaltige PAKs leicht und reversibel Elektronen auf. So kann der erforderliche Elektronentransport innerhalb der oben skizzierten Emitterschicht gewährleistet werden. Zugleich ändern sich die optischen Eigenschaften der Nanographene: Ihre Leuchtkraft wird gesteigert und die Lichtwellenlänge in den gewünschten Farbbereich verschoben. Sperrige Seitenketten machen die Verbindungen gegenüber Luft und Wasser beständig, so dass sie ein weiteres entscheidendes Kriterium für OLED-Materialien erfüllen.

© Goethe Universität Frankfurt am Main

Des Weiteren wurde ein Screeningverfahren entwickelt, das borhaltige PAKs schneller zugänglich macht, so dass sich deren Potential als OLED-Leuchtstoffe effizienter evaluieren lässt.

Die Erfindung wird im Rahmen von WIPANO Öffentliche Forschung - „Weiterentwicklung von Erfindungen“ gefördert.