Augsburg/WB/TS/KPP - Die r?umliche 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 st?rker 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 Universit?t 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 Substratoberfl?che aufgebracht werden, sich nicht zuf?llig, sondern ausgepr?gt liegend in der Schichtebene orientieren. Die r?umliche Verteilung der Lichtemission solcher organischen Farbstoffe ?hnelt 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 r?umliche Orientierung der sogenannten ?bergangsdipolmomente, die für die Emission und Absorption von Licht verantwortlich sind , in Abh?ngigkeit der Substratoberfl?che 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 gleichm??ige, sondern vorwiegend horizontale Orientierung im Falle eines phosphoreszenten Iridium-Komplexes nachweisen k?nnen. Aufgrund der enormen, bis zur Verdopplung reichenden Steigerung der Effizienz, die mit der horizontalen Orientierung der Farbstoffmoleküle m?glich wird, wurden seither intensiv die m?gliche Beeinflussung und die zugrundeliegenden Mechanismen der ungleichm??igen, horizontalen Orientierung untersucht. Ein gro?es 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 r?umliche Verteilung der strahlenden ?bergangsdipolmomente aller Farbstoffmoleküle erkennbar ist. Deshalb war es bisher nicht m?glich, die molekulare Orientierung mit den Ergebnissen der r?umlichen Emissionsintensit?tsverteilung zu verknüpfen. Eine solche Verknüpfung ist aber wiederum eine unverzichtbare Voraussetzung, um die molekulare Orientierung gezielt beeinflussen zu k?nnen.

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 L?sung des Problems weiterzukommen. Sie konnten, wie sie in ?Nature Materials“ berichteten, nicht nur zwei bisherige Theorien durch die geschickte Synthese verschiedener Moleküle und der anschlie?enden Bestimmung der Orientierung ihrer ?bergangsdipolmomenten bei unterschiedlichen Dotierkonzentrationen widerlegen, sondern zugleich auch eine neues Modell der Orientierungsmechanismen pr?sentieren.

Dieses Modell macht es m?glich, die gemessene Orientierung der ?bergangsdipolmomente direkt mit der Orientierung der Moleküle zu verknüpfen. Grundlage des Modells ist dabei die Grenzfl?che 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. W?hrend des Aufdampfens auf das Substratmaterial orientieren sich die Farbstoffmoleküle mit ihren aliphatischen Bereichen zur Vakuumseite an der Oberfl?che der aufwachsenden Schicht. Durch die Kenntnis der Lage der ?bergangsdipolmomente auf dem Farbstoffmolekül kann die molekulare Orientierung mit der messbaren, auf die Substratoberfl?che bezogenen r?umlichen Verteilung der ?bergangsdipolmomente in unmittelbare Beziehung gesetzt werden.

?Wir k?nnen 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“, erl?utert 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) gef?rdert, weiterhin von der Alexander von Humboldt-Stiftung und vom Bavaria California Technology Center (BaCaTeC).d wir auf dem Weg zu effizienteren, lichtst?rkeren 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