OLED-Displays: Wie Forscher die Farben über Polymere steuern

Bayreuther Wissenschaftler haben eine Möglichkeit entdeckt, wie die räumliche Struktur von Polymeren genutzt werden kann, um die Farben von OLEDs zu steuern.

Mit organischen Leuchtdioden (OLED) lassen sich Smartphones und TV-Geräte beleuchten. Damit ist es möglich, einen besseren Kontrast zu erzielen. Wissenschaftler der Universität Bayreuth haben herausgefunden, wie sich die räumliche Struktur der als organische Halbleiter verwendeten konjugierten Polymere genutzt werden kann. Damit ließen sich unter anderem die Farben der OLEDs steuern.

Aufgrund der aneinander geketteten molekularen Bausteine besitzen sie ein Rückgrat. Werden die Polymere nun einem Laserstrahl ausgesetzt, absorbieren sie das Licht und speichern es als Anregungsenergie. Diese Energie breitet sich an ihrem Rückgrat entlang aus. Kurz darauf wird sie durch Abstrahlung von Licht freigesetzt.

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Wovon die Farbe der Polymere abhängt

Bisher ist man davon ausgegangen, dass die Farbe des abgestrahlten Lichts davon abhängig sei, wie weit sich die Anregungsenergie in den Polymeren ausbreitet: Der Bereich, in dem sich die Energie ausdehnt, sei umso kleiner, je stärker die Polymere gekrümmt sind, hieß es. Doch die Bayreuther Wissenschaftler haben diese Annahmen jetzt widerlegt.

Die untersuchten Polymere haben ein chemisch identisches Rückgrat und sind unterschiedlich gekrümmt, aber die Anregungsenergie dehnt sich über gleich große Bereiche aus. Gekrümmte Polymere senden grünes oder blaues Licht aus, gestreckte Polymere strahlen gelb oder rötlich. „Wenn diese Polymere in organischen Leuchtdioden zum Einsatz kommen, können ihre unterschiedlichen räumlichen Strukturen genutzt werden, um die Farben des von den OLEDs abgestrahlten Lichts präzise zu steuern“, erklärt der Physiker Dominic Raithel M.Sc., Erstautor der jetzt in PNAS veröffentlichten Studie.

Gestreckte Polymere sind stabil

Wie die Bayreuther Forscher ebenfalls herausgefunden haben, besitzen gestreckte Polymere ein von ihren Seitenarmen gebildetes Gerüst, das die Streckung stabilisiert. „Daraus ergibt sich für Leuchtdioden ein besonderer Vorteil: Wenn gestreckte Polymere übereinander geschichtet werden, sorgen die Gerüste für Stabilität. Die Lichtemission wird dadurch nicht geschwächt“, sagt Raithel.

Vor kurzem hat er seine Dissertation im DFG-Graduiertenkolleg „Photophysics of Synthetic and Biological Multichromophoric Systems“ der Universität Bayreuth abgeschlossen. Hier werden natürliche und künstliche organische Materialien in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit erforscht. So waren an der neuen Studie sowohl die Experimentalphysiker Prof. Dr. Anna Köhler und Prof. Dr. Jürgen Köhler als auch Prof. Dr. Mukundan Thelakkat als Experte für Funktionspolymere beteiligt.

Zusammenspiel von Theorie und Experiment

Bei den vergleichenden experimentellen Untersuchungen der Polymere kamen verschiedene Spektroskopieverfahren zum Einsatz. „Entscheidend war dabei die Einzelmolekülspektroskopie bei sehr tiefen Temperaturen, für die uns hier in Bayreuth eine hochleistungsfähige Infrastruktur zur Verfügung steht. Mit dieser Methode konnten wir die Farben des emittierten Lichts und schließlich auch die Ausdehnung der Anregungsenergie über die kettenförmig aufgebauten Polymere bestimmen“, erklärt Dr. Richard Hildner, der die Forschungsarbeiten an der Universität Bayreuth koordiniert hat.

Die Bayreuther Wissenschaftler haben eng mit einer Arbeitsgruppe an der Rice University in Houston/Texas zusammengearbeitet. Hier wurden von Dr. Lena Simine und Prof. Dr. Peter J. Rossky umfangreiche Berechnungen zum Einfluss der Polymerstrukturen auf die Farbe des emittierten Lichts angestellt. Die Verbindung von experimentellen mit theoretischen Methoden führte schließlich zu Einblicken in die räumliche Struktur einzelner Polymerketten, die mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren nicht möglich sind.

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