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früh, im Jahr 1999, identifizierten Wissenschaftler
das relativ häufig vorkommende
Kupfer als denkbare Alternative.
Bemerkenswerterweise wurden beide
Leuchtstoffklassen – solche mit Kupfer
und solche mit Iridium – nur mit wenigen
Wochen zeitlichem Abstand in wissenschaftlichen
Fachblättern veröffentlicht.
Dass sich das Iridium früh durchsetzen
konnte, hat zwei Hauptgründe: die geringe
Stabilität der damals vorhandenen
Kupferverbindungen und die damals
noch deutlich schlechtere Effizienz der
Lichterzeugung bei Kupfer. Das Ziel meines
Promotionsprojektes bestand darin,
diese Schwachstellen zu beseitigen. Der
springende Punkt ist dabei die fragile
Struktur der frühen Kupferkomplexe: Sie
enthielten ein einziges, positiv geladenes
Kupferatom, an das weitere Molekülteile
aus Elementen wie Kohlenstoff, Phosphor
und Stickstoff, die sogenannten Liganden,
angebunden waren. Moleküle aus Metallatomen
und Liganden werden auch als
Metallkomplexe bezeichnet.
Werden Kupferkomplexe im OLED-
Bauteil mit elektrischer Energie versorgt,
so wird ein Mechanismus in Kraft gesetzt,
bei dem ein Elektron zeitweise vom
Kupferatom auf einen Liganden übertra-
gen wird. Nach sehr kurzer Zeit, typischerweise
einer Mikrosekunde, springt
das Elektron wie ein Ball an einem gespannten
Gummiband wieder an den Ursprungsort
zurück, und das Molekül erzeugt
sichtbares Licht. Obwohl alles sehr
schnell geht, ist dieser Vorgang relativ
störanfällig. Anstelle der Lichterzeugung
können die enormen Belastungen durch
das Verschieben der Elektronen auch zur
Verformung der Komplexe führen – die
elektrische Energie wird bei diesem unerwünschten
Vorgang in Wärme anstatt
Licht umgewandelt. Problematisch war
auch die Verarbeitung der Komplexe zu
OLED-Bauteilen. Beim Versuch, eine
Drucktinte herzustellen, fielen die beiden
Liganden oft einfach vom Kupfer ab
und ordneten sich neu an. In diesem auch
als „Scrambling“ bezeichneten Vorgang
entsteht so sprichwörtlich molekulares
Rührei mit völlig anderen Eigenschaften
– für OLEDs ist diese Mischung nicht
mehr zu gebrauchen.
Um den Kupferkomplexen eine höhere
Effizienz zu verleihen und sie verarbeiten
zu können, musste ich das bisherige
Design der Materialien generalüberholen.
Dem einen, bisher vorhandenen Kupferatom
stellte ich ein zweites zur Seite.
So wird bei der Lichterzeugung die Belastung
auf mehrere Schultern verteilt,
und die Gefahr einer Verformung des
Moleküls wird deutlich verringert. Dies
konnte nicht nur im Labor, sondern auch
durch computergestützte Simulationen
bestätigt werden. Ein weiterer entscheidender
Schritt war die Anbringung einer
Kette aus Kohlenstoffatomen zwischen
den verschiedenen Liganden, um der
molekularen Struktur mehr Stabilität zu
verleihen. So zusammengeschnürt können
die Komplexe nicht nur Licht nahezu
verlustfrei – mit einer Effizienz von mehr
als 90 Prozent – erzeugen, sondern sind
auch stabil genug, um zu Tinten verarbeitet
und gedruckt zu werden.
Nachdem Iridium im Effizienz-Wettlauf
mit dem Kupfer 15 Jahre lang weit
in Führung lag, sind die beiden Leuchtstoff-Formen
nun gleichauf. Falls noch
bestehende Probleme, darunter die Lebensdauer
der Bauteile, technisch gelöst
werden können, könnte der ewige Zweite
den Champion doch noch überholen.
Das Problem der Rohstoffverfügbarkeit
ist bei Verwendung von Kupfer jedenfalls
gelöst – auch ohne extraterrestrischen
Bergbau und unabhängig von neuerlichen
Asteroideneinschlägen. ●
Die Tinten für OLEDs müssen frei von
Verunreinigungen sein. Daniel Volz
(rechts) und sein Kollege durchleuchten
die Flüssigkeit zur Kontrolle mit
starkem Licht.
bild der wissenschaft plus 31