Augsburg/WB/TS/KPP - Die räumliche Orientierung der Moleküle ist eine essenzielle Schlüsseleigenschaft in der organischen Elektronik. Die spezifische Ausrichtung der Moleküle beeinflusst wichtige Parameter organischer optoelektronischer Bauteile, wie z. B. die elektrischen Transporteigenschaften oder auch die Absorption bzw. die Emission von Licht. Deshalb ist die Orientierung von organischen Farbstoffmolekülen gerade im Bereich der organischen Leuchtdioden (OLEDs) in den letzten Jahren immer stärker zum Gegenstand intensivierter Forschung geworden. Wissenschaftler aus Augsburg und Los Angeles berichten jetzt in „Nature Materials“ über neue Erkenntnisse, die den Orientierungsprozess von phosphoreszenten organo-metallischen Komplexen aufzeigt und damit einhergehend das Potential für eine signifikante Steigerung der Effizienz von OLEDs in Aussicht stellen kann.

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 sogenannten 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 derjenigen eines klassichen elektrischen Dipols, einer Antenne also, die vor allem senkrecht zu ihrer Achse abstrahlt. Dies 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 GmbH in Regensburg haben sie vielmehr erstmals auch die anisotrope, d. h. nicht gleichmäßige, sondern vorwiegend horizontale Orientierung im Falle eines phosphoreszenten Iridium-Komplexes nachweisen können. Aufgrund der enormen, bis zur Verdopplung reichenden Steigerung der Effizienz, die mit der horizontalen Orientierung der Farbstoffmoleküle möglich wird, wurden seither intensiv die mögliche Beeinflussung und die zugrundeliegenden Mechanismen der ungleichmäßigen, horizontalen Orientierung untersucht. Ein großes Hindernis bei diesen Untersuchungen 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. Eine solche Verknüpfung ist aber wiederum eine unverzichtbare Voraussetzung, 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. Sie konnten, wie sie in „Nature Materials“ berichteten, nicht nur zwei bisherige Theorien durch die geschickte Synthese verschiedener Moleküle und der anschließenden Bestimmung der Orientierung ihrer Übergangsdipolmomenten bei unterschiedlichen Dotierkonzentrationen widerlegen, sondern zugleich auch eine neues Modell der Orientierungsmechanismen präsentieren.

Dieses 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.

„Wir können damit nun auch Vorhersagen zur Orientierung beliebiger organo-metallischer Iridium-Moleküle machen, die es erlauben, das Design dieser Farbstoffe so zu gestalten, dass die Effizienz von OLEDs deutlich gesteigert werden kann“, erläutert Brütting und ist überzeugt: „Damit sinDie 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).d wir auf dem Weg zu effizienteren, lichtstärkeren OLEDs einen entscheidenden Schritt weitergekommen.“

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Publikation:

Matthew J. Jurow, Chritian Mayr, Tobias D. Schmidt, Thomas Lampe, Peter I. Djurovich, Wolfgang Brütting, Mark E. Thompson: Understanding and Predicting the Orientation of Heteroleptic Phosphors in Organic Light-Emitting Materials, Nature Materials, 5. Oktober 2015,  http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4428.html, doi:10.1038/nmat4428