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Deutsch-österreichisches Forscherteam demonstriert | Chemikalien.de
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Deutsch-österreichisches Forscherteam demonstriert

September 30, 2002 by admin 


Eine neuartige Methode, elektrischen Strom mit Hilfe konjugierter Polymere in
Licht zu verwandeln, wurde von einem deutsch-österreichischen Forscherteam entdeckt
(Physical Review Letters, 14. Oktober 2002). Leuchtdioden aus Kunststoff, die
Strom in Licht verwandeln können, werden schon seit über einem Jahrzehnt intensiv
erforscht. Dabei hat sich herausgestellt, daß über die Hälfte der elektrisch generierten
Anregungen in dunklen Zuständen verschwinden, die kein Licht ausstrahlen können
und statt dessen Wärme generieren. Dies führt im allgemeinen zu einer Reduktion
der Lebensdauer solcher Bauelemente sowie zu einer Beschränkung des Wirkungsgrades.
Nun haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, dem
Institut für Chemie an der Universität Potsdam, dem Christian Doppler Laboratory
of Advanced Functional Materials am Institut für Festkörperphysik der TU Graz
sowie dem Institut für nanostrukturierte Materialien und Photonik in Weiz, Österreich,
entdeckt, daß eine kleine Zahl chemisch gebundener Metallatome ausreicht, diese
dunklen Zustände zum Strahlen zu bringen. Die überraschende Entdeckung ist nicht
nur technologisch hoch relevant, sondern zeigt auch die große Wirkung auf, die
kleinste Verunreinigungen in organischen optoelektronischen Systemen bewirken
können. Im allgemeinen unterscheidet man zwischen zwei grundlegenden Emissionsprozessen,
der Fluoreszenz und der Phosphoreszenz. Die Phosphoreszenz spielt im Alltag eine
wichtige Rolle, wie etwa bei Bildschirmröhren. Sie unterscheidet sich im wesentlichen
von der Fluoreszenz durch um Größenordnungen längere Lebensdauern des angeregten
Zustandes. Während der Übergang des Angeregten Zustandes zum Grundzustand in der
Phosphoreszenz als verboten bezeichnet wird (der sogenannte Tripletzustand), ist
er in der Fluoreszenz erlaubt (der Singulettzustand). Daher weisen die meisten
Materialien, insbesondere organische Verbindungen wie Farbstoffmoleküle und konjugierte
Polymere, überwiegend Fluoreszenz und keine Phosphoreszenz auf. Nun ist das Problem,
daß in organischen Leuchtdioden bis zu 75 % der Anregungen im Tripletzustand entstehen
und somit im allgemeinen nicht-strahlend, also durch die Erzeugung von Wärme,
zerfallen

 

Jetzt hat das Forscherteam entdeckt, daß eine verschwindend
kleine chemische Verunreinigung eines Polymers mit Metallatomen ausreicht, um
effiziente Phosphoreszenz unter elektrischer Anregung zu ermöglichen. Die chemische
Struktur des Polymers ist in Abbildung 1 gezeigt. Durch einen speziellen Syntheseweg,
der in der Gruppe von Prof. U. Scherf in Potsdam benutzt wird, gelingt es, die
auf Kohlenstoff und Wasserstoff basierende Struktur mit einer Konzentration
von rund 80 millionstel Palladiumatomen zu versehen. Dies entspricht in etwa
einem Palladiumatom auf 1700 Wiederholeinheiten des Polymers, von denen in der
Abbildung nur zwei gezeigt werden. Da die Stärke der Phosphoreszenz mit der
Größe der Atome zusammenhängt, erlaubt ein mit Palladium komplexiertes Kohlenwasserstoffmolekül
eine um viele Größenordnungen stärkere Phosphoreszenz als ein reines Kohlenwasserstoffmolekül.
Die Konsequenz ist, daß im vorliegenden Fall die Phosphoreszenz unter elektrischer
Anregung ermöglicht wird, wie im Labor von Dr. E. List an der TU Graz erstmalig
beobachtet wurde. Abbildung 2 vergleicht Emissionsspektren des Polymers unter
optischer (Photolumineszenz) und elektrischer (Elektrolumineszenz) Anregung.
Beide Spektren sind im Wellenlängenbereich um 450 nm identisch. Im Fall der
Elektrolumineszenz wird eine weitere schmale Emissionsbande im Bereich von 600
nm detektiert, die charakteristisch für die Phosphoreszenz ist. Die Forscher
konnten nun mittels zeitaufgelöster Elektrolumineszenz und Photolumineszenzspektroskopie
eindeutig nachweisen, daß es sich bei der Emission um 600 nm um Phosphoreszenz
handelt, die erstmalig in konjugierten Polymeren unter elektrischer Anregung
gemessen werden konnte. Da unter elektrischer Anregung viel mehr dunkle Zustände,
d.h. Triplets, erzeugt werden als unter optischer Anregung, ist die Phosphoreszenz
in der Elektrolumineszenz auch viel stärker ausgeprägt als in der Photolumineszenz.
Die Beobachtungen lassen sich damit erklären, daß die langlebigen Tripletanregungen
durch den Polymerfilm hindurch diffundieren, bis sie auf ein Polymersegment
treffen, an dem ein Metallatom eingebunden ist. Durch die quantenmechanische
Wirkung des Schweratoms kann es dann zu einem strahlenden Zerfall des Triplets
in Form von Phosphoreszenz kommen. Neben den technologischen Aspekten zeigt
die Studie auch in sehr eindrucksvoller Weise den Einfluß, den selbst allerkleinste
chemische Verunreinigungen auf die Wirkungsweise organischer Halbleiter haben
können, da typischerweise die in der Studie relevanten Konzentrationen von Verunreinigungen
von rund 0,008 % mit konventionellen Verfahren in der organischen Synthese sehr
schwer zu detektieren sind. John Lupton, Erstautor der Studie in dem führenden
Fachblatt Physical Review Letters, ist der Ansicht, daß der Effekt auch weit
über Anwendungen in Leuchtdioden hinaus relevant sein wird: “Die Ansammlung
von langlebigen Tripletzuständen ist ein altbekanntes Problem bei organischen
Farbstofflasern, die in der Industrie und in der Forschung vielseitige Anwendung
finden. Mit konjugierten Polymeren lassen sich kleinste Festkörperlaser konstruieren,
die nun auch von den schadhaften Tripletanregungen befreit werden können. Dies
ist mit Sicherheit ein wichtiger Schritt in die Richtung organischer Laserdioden,
die bisher noch nicht realisiert werden konnten.” Zudem sind auch spannende
Anwendungen in der Quantenoptik denkbar. Moleküle sind an und für sich hervorragende
Einzelphotonenquellen, doch werden sie in regelmäßigen Abständen von dunklen
Tripletzuständen blockiert, was Anwendungen in der Quantenkryptographie erschwert.
Durch die strahlende und schnelle Deaktivierung von Tripletzuständen sollten
diese Komplikationen beseitigt werden können. Originalpublikation: J. M. Lupton,
A. Pogantsch, T. Piok, E. J. W. List, S. Patil, und U. Scherf, “Intrinsic Room-Temperature
Electrophosphorescence from a p-Conjugated Polymer”, Physical Review Letters
89, 167401 (2002).

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