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Das Blau der Zukunft

Borhaltige Nanographene als Leuchtstoffe von morgen

Um die Farbbalance der OLEDs zu verbessern, ist vor allem eine neue Generation blauer Emitter nötig. Zu diesen zählen unter anderem die chemisch sehr beständigen Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs). Für die OLEDs interessant sind dabei Varianten dieser ringförmigen Kohlenstoffverbindungen, die sich vom elektrisch leitenden Graphit und seiner Sonderform Graphen ableiten.

Ausschnitte (rechts) aus Graphenschichten existieren in vielfältigen Formen und werden auch als Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe bezeichnet. © Dagmar Jung-Zulauf

Im Graphen sind Kohlenstoffatome zu einem zweidimensionalen Gitter aus aneinandergrenzenden, sechseckigen Ringen zusammengefügt. Sie bilden eine bienenwabenförmige Struktur aus vielen Benzolringen – wie ein mikroskopisch kleiner Maschendrahtzaun. Dieses Gitter besitzt äußerst attraktive optische und elektronische Eigenschaften. Für die PAKs, auch Nanographene genannt, nutzt man Ausschnitte aus dieser Struktur.

Bor im Kohlenstoffgerüst

Um die optischen und elektronischen Eigenschaften eines PAKs maßzuschneidern, hat man sich zunächst darauf konzentriert, seine Ränder chemisch zu manipulieren. In den letzten Jahren versteht man es jedoch zunehmend, auch die innere Struktur zu verändern, indem man Fremdatome in das Kohlenstoffgerüst einbettet. Hier kommt, neben Stickstoff und Schwefel, dem Bor eine herausragende Bedeutung zu.

Die Elemente links und rechts der 4. Hauptgruppe im Periodensystem, wie das Bor (B), lassen sich nutzen, um die elektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien zu modifizieren. © Dagmar Jung-Zulauf

Im Periodensystem der Elemente steht Bor eine Position links von Kohlenstoff, weshalb es ein Elektron weniger in seiner Valenzschale besitzt. Borhaltige PAKs nehmen deshalb sehr leicht und reversibel Elektronen auf, um dieses Defizit auszugleichen. Diese Eigenschaft ist essenziell, um den erforderlichen Elektronentransport innerhalb der Emitterschicht eines OLED-Halbleiters zu gewährleisten.

Seitengruppen als Zerfallsschutz

Die Integration von Boratomen in das Kohlenstoffgerüst wirkt sich auch auf die optischen Eigenschaften der Nanographene positiv aus, da auf diese Weise deren Leuchtkraft wesentlich gesteigert und die Lichtwellenlänge in den gewünschten Farbbereich verschoben werden kann. Durch Variation der Molekülstruktur lässt sich auch das vollständige Farbspektrum abdecken. Zu Beginn konnte man das volle Potenzial borhaltiger PAKs aber nur eingeschränkt nutzen, weil die meisten Vertreter empfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit sind.

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Sperrige Seitengruppen schützen die neuen borhaltigen Nanographene (rechts) vor dem Zerfall. © Valentin Hertz

Inzwischen jedoch haben die Frankfurter Farbstoffe für die blauen Emitter entwickelt, bei denen dieses Problem nicht mehr auftritt. Der Grund: Die Boratome sind in dieser Verbindung durch sperrige Seitengruppen wie in einem Käfig vor dem Angriff von Sauerstoff oder Wasser geschützt. Durch diese chemische Anpassung erfüllen bordotierte Nanographene nun die entscheidenden Kriterien für ein vielversprechendes OLED-Material.

Was bringt die Zukunft?

Anwendungen für die optimierten OLEDs gibt es in Zukunft viele: Transparente OLEDs wären in Windschutzscheiben von Autos integrierbar, wo sie vor Staus oder Gefahren warnen und den Weg weisen könnten. Für künftige Generationen von Smartphones und Tabletcomputern wird an flexiblen Foliendisplays geforscht, die sich platzsparend einrollen lassen, wenn die Geräte nicht im Gebrauch sind.

Denkbar sind auch leuchtende Tapeten, deren Farbtönung an die Stimmung des Bewohners angepasst werden kann und die auch als Heimkino nutzbar sind. OLEDs können in naher Zukunft neue Möglichkeiten eröffnen, die heute noch nach Science-Fiction klingen. Die chemische Forschung wird dazu ihren Beitrag leisten.

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Matthias Wagner und Valentin Hertz / Forschung Frankfurt
Stand: 04.03.2016

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

OLEDs: Die Tapete als Heimkino
Chemiker verhelfen organischen Leuchtdioden zu besseren Farben

Licht aus dem Halbleiter
Von der Glühlampe zur LED

Kristall und Polymer
Wie LEDs ihr Licht erzeugen

Problemfarbe Blau
Warum OLEDs noch nicht für alles taugen

Das Blau der Zukunft
Borhaltige Nanographene als Leuchtstoffe von morgen

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