Leistungsstarke OLED Molekulare Orientierung organischer Schichten

Wissenschaftler haben die physikalischen Mechanismen der molekularen Orientierung bei organischen Schichten entschlüsselt. Damit sollen leistungsstärkere OLEDs möglich sein.

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Die Absorbtion und Emission von Licht bei organischen Verbindungen hängt unter anderem von der räumlichen Orientierung der Moleküle ab. Aus diesem Grund spielt die Orientierung für organische Farbstoffmoleküle bei OLEDs in der Wissenschaft eine entscheidende Rolle. Wissenschaftler aus Augsburg und Los Angeles berichten jetzt in „Nature Materials“ über neue Erkenntnisse, die den Orientierungsprozess von phosphoreszenten organo-metallischen Komplexen aufzeigt, um die Effizienz und damit einhergehend das Potential für eine signifikante Steigerung der Effektivität von OLEDs in Aussicht stellen kann.

Organische Farbstoffe und ihre Orientierung

Die Forschungsgruppe „Organische Halbleiter“ von Prof. Wolfgang Brütting am Lehrstuhl Experimentalphysik IV der Universität 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 Kyushu University (Japan) erstmals nachweisen, dass organische Farbstoffmoleküle, die unter Vakuumsbedingungen zusammen mit einem Wirtsmaterial, der Matrix, 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 einen klassichen elektrischen Dipols, einer Antenne also, die vor allem senkrecht zu ihrer Achse abstrahlt. Das 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 in Regensburg haben sie vielmehr erstmals auch die anisotrope, die nicht gleichmäßige, sondern vorwiegend horizontale Orientierung im Falle eines phosphoreszenten Iridium-Komplexes nachweisen können.

Molekulare Orientierung gezielt beeinflussen

Ein großes Hindernis für die Forscher war der Umstand, dass die Orientierung der Farbstoffmoleküle in den mit ihnen dotierten organischen Schichten nicht direkt bestimmt werden kann; 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. Die Verknüpfung ist notwendig, um die molekulare Orientierung gezielt beeinflussen zu können.

Jetzt ist es den Augsburger Physikern um Brütting und seinem Mitarbeiter Dr. Tobias Schmidt in Kooperation mit Forschern der University of Southern California (Los Angeles) gelungen, anhand von Untersuchungen spezieller phosphoreszenter, organo-metallischer Iridium-Komplexe einen entscheidenden Schritt bei der Lösung des Problems weiterzukommen.

Ihr 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 kann die molekulare Orientierung mit der messbaren, auf die Substratoberfläche bezogenen räumlichen Verteilung der Übergangsdipolmomente in unmittelbare Beziehung gesetzt werden.

Die Untersuchungen der Augsburger Physiker und ihrer Kollegen an der University of Southern California wurden finanziell von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit einer Sachbeihilfe zum Aufbau einer internationalen Kooperation (Br 1728/16-1) gefördert, weiterhin von der Alexander von Humboldt-Stiftung und vom Bavaria California Technology Center (BaCaTeC).

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