Glühbirnen, Stromsparbirnen, Halogenleuchten, LED-Leuchten – wie auf so vielen Gebieten des täglichen Lebens geht es auch im Bereich der Leuchtmittel immer mehr um Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit. Wissenschaftler des Paul Scherrer Institut PSI in der Schweiz haben nun ein vielversprechendes Material für die organische Leuchtdiode (OLED) erforscht. Die Verbindung, ein gelblicher Feststoff, erlaubt eine hohe Lichtausbeute. Zudem kann sie kostengünstig und im großen Maßstab hergestellt werden.
OLED im Einsatz
Wird der Stoff in einer Flüssigkeit aufgelöst oder eine dünne Schicht davon auf einer Elektrode angebracht, leuchtet sie intensiv grün. Der Grund: Die Moleküle nehmen die ihnen zugeführte Energie auf und geben sie als Licht nach und nach wieder ab. Aufgrund dieses Prinzips der sogenannten Elektrolumineszenz sei die grün lumineszierende Substanz „ein heißer Kandidat, um OLEDs herzustellen, organische Leuchtdioden“, schreiben die Forscher in ihrer Studie. Sie wurde im Fachblatt Nature Communications veröffentlicht. OLEDs befinden sich seit ein paar Jahren zum Beispiel in den Displays von Smartphones. Mittlererweile finden sich aber auch in den ersten flexiblen Fernsehbildschirmen organische Leuchtdioden.
Der Nachteil an aktuellen Version von OLED ist jedoch, dass viele in Frage kommende Substanzen teure Metalle wie Iridium enthalten. Dadurch wird der Faktor der an sich niedrigen Kosten wieder eliminiert. Da die Materialien ohne derartige Zusätze aber nur einen kleinen Teil der ihnen zugeführten Energie tatsächlich als Licht abstrahlen können, suchen Wissenschaftler nach effizienteren Materialien. So sollen kostengünstigere und umweltfreundlichere Displays und großflächige Beleuchtungen möglich werden. Als ein Beispiel für preisgünstige und gut verfügbare Metalle gilt hier Kupfer.
Hohe Lichtausbeute möglich
Deshalb haben Forscher jetzt die kupferhaltige Verbindung CuPCP genauer untersucht. In der Mitte der Moleküle sitzen jeweils vier Kupferatome, die Kohlenstoff- und Phosphoratomen umgeben sind. „Wir wollten verstehen, wie der angeregte Zustand der Verbindung aussieht“, sagt Grigory Smolentsev. Er arbeitet als Physiker in der Forschungsgruppe Operando-Spektroskopie. Genauer gesagt hieße das: Wie verändert sich die Substanz, wenn sie Energie aufnimmt? Ändert sich dabei beispielsweise die Struktur des Moleküls? Wie verteilt sich nach der Anregung die Ladung auf die einzelnen Atome? „Das verrät uns, wie hoch vermutlich die Energieverluste sind, die nicht als Licht frei werden und das zeigt uns, wie wir diese Verluste vielleicht minimieren können.“
Die Messungen an zwei Großforschungsanlagen am PSI – der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL − sowie der European Synchrotron Radiation Facility im französischen Grenoble bestätigten die Hoffnung der Forscher. Die Substanz ist aufgrund ihrer chemischen Struktur ein guter Kandidat für eine OLED. Denn die quantenchemischen Eigenschaften der Verbindung würden eine hohe Lichtausbeute möglich machen. Ein Grund dafür: Das Molekül ist relativ steif und seine 3-D-Struktur verändert sich bei einer Anregung nur wenig verändert
Neben dem Ziel, die Tauglichkeit der Substanz als Kandidat für OLEDs zu überprüfen, verfolgten die Wissenschaftler mit den Messungen einen weiteren Plan: Die experimentellen Daten sollten dabei helfen, die theoretischen Berechnungen von Molekülen zu verbessern. „So lässt sich in Zukunft besser voraussagen, welche Verbindungen für OLEDs geeignet sind und welche weniger“, sagt Grigory Smolentsev. „Die Messdaten helfen den Chemikern und Chemikerinnen zu verstehen, welcher Teil des Moleküls einer hohen Effizienz im Weg steht. Und natürlich: wie sich die Verbindung verbessern lässt, um ihre Lichtausbeute zu erhöhen.“
Titelbild: Nicht nur beim Anlegen von Strom, sondern auch unter UV-Licht leuchtet CuPCP intensiv grün.
(© Universität Bremen/Matthias Vogt)