31.05.2005 · Der Bildschirm der Zukunft soll flach, farbecht und sogar biegsam sein, egal aus welchem Winkel man draufschaut. Gleich drei Wünsche auf einmal. Um das möglich zu machen, muß er Leuchtidioden enthalten. Können langkettige Kohlenwasserstoffe die Lösung sein?
Von Stefanie Hense
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Sind Flachbildschirme schon bald out?
Flach, biegsam und farbecht, egal, aus welchem Winkel man draufschaut - gleich drei Wünsche auf einmal, die der Bildschirm der Zukunft erfüllen soll. Er müßte Leuchtdioden enthalten, soviel steht fest. Aber aus welchem Material müßten die Dioden bestehen? Ein heißer Kandidat sind sogenannte konjugierte Polymere, langkettige Kohlenwasserstoffe mit einer charakteristischen Molekülstruktur.
Den Polymeren wird Energie in Form von elektrischem Strom zugeführt. Sie versetzt das organische Material in einen angeregten Zustand, aus dem heraus Licht abgestrahlt wird. Genauer gesagt: Die Elektronen, die zu den Polymermolekülen gehören, sind es, die dabei die Anregungsenergie aufnehmen. Sie befinden sich daraufhin in einem Zustand höherer Energie, so daß im Grundzustand gewissermaßen eine positiv geladene Leerstelle, eine Art Loch, zurückbleibt.
Höhere Lichtausbeute möglich
Was zunächst nur wie ein theoretisches Konstrukt aussieht, erweist sich als äußerst praktische Vorstellung: Solch eine Fehlstelle verhält sich tatsächlich wie ein geladenes Teilchen, nur daß ihre Ladung derjenigen eines Elektrons entgegengesetzt ist. Unter dem Einfluß elektrischer Spannung bewegen sich die Löcher in die entgegengesetzte Richtung wie die Elektronen, und wenn sich ein angeregtes Elektron und ein Loch treffen, kommt es zur Rekombination, bei der das Polymer Licht abstrahlen kann.
Theoretisch war postuliert worden, daß die Energieeffizienz organischer Leuchtdioden auf 25 Prozent begrenzt sein sollte. Sie sollten gerade einmal ein Viertel der ihnen zugeführten Energie in Form von Licht abstrahlen können. Es gab jedoch experimentelle Hinweise darauf, daß eine höhere Lichtausbeute möglich wäre. Der angeregte Zustand sollte sich demnach so verändern können, daß mehr Licht abgestrahlt werden könnte. Eine Gruppe von Wissenschaftlern um den Physiker John Lupton von der Universität München hat nun aber bewiesen, daß keine Umwandlung des angeregten Zustandes stattfindet und die 25 Prozent eine grundlegende physikalische Grenze für die Energieeffizienz sind (“Nature Materials“, Bd.4, S.340). Allenfalls mit Hilfe technischer Kunstgriffe kann diese Grenze überwunden werden.
Elektronenspin
Die entscheidende Größe, die ehrgeizigen Konstrukteuren bislang einen Strich durch die Rechnung macht, ist der Elektronenspin, also der Eigendrehimpuls der Elektronen. Er wird durch einen Pfeil dargestellt und kann in Messungen zwei mögliche Stellungen „up“ und „down“ annehmen, entsprechend einer Rechts- und einer Linksdrehung. Auch den Löchern läßt sich ein Spin zuschreiben, und es zeigt sich, daß längst nicht alle Elektronen mit allen Löchern rekombinieren können: Zwei mögliche Spinstellungen für das Elektron und zwei für das Loch ergeben vier mögliche Spinstellungen für das Elektron-Loch-Paar.
Aber nur eine davon, das sogenannte Singulett, führt zur Rekombination unter Lichtabstrahlung. Die drei anderen Möglichkeiten werden als Tripletts oder auch als dunkle Zustände bezeichnet, und sie rekombinieren normalerweise nicht unter Licht-, sondern unter Wärmeabstrahlung. Nur die Änderung eines Spins würde ein Triplett in ein Singulett umwandeln und die Abgabe von Licht ermöglichen.
Kunstgriff macht Lichtabstrahlung möglich
Die Wissenschaftler nutzen dabei aus, daß die Tripletts mit einem Kunstgriff doch dazu gebracht werden können, Licht abzustrahlen. Das Polymer emittiert sowohl blaues Singulett-Licht als auch rotes Triplett-Licht, wenn es bei der Herstellung mit Spuren des Metalls Palladium verunreinigt wird - was in diesem Fall eine positive Wirkung hat: So können die dunklen Tripletts sichtbar gemacht werden. Allerdings beobachteten die Wissenschaftler die Triplett-Emission nur dann, wenn sie zu Beginn tatsächlich ein Gemisch aus Singuletts und Tripletts erzeugt hatten. Sie untersuchten jedoch auch die Situation, daß sie zunächst nur Singuletts erzeugt hatten. Wenn sich Singuletts in Tripletts umgewandelt hätten, hätten die Forscher anschließend auch rotes Triplett-Licht detektiert. Das wurde aber nicht beobachtet.
Es kann also nur aus so vielen Singuletts Licht abgestrahlt werden, wie durch elektrischen Strom erzeugt werden. Die Effizienz, mit der die Diode diesen in Licht verwandelt, beträgt maximal 25 Prozent. Das ist nicht etwa nur deswegen ärgerlich, weil auf diese Weise Energie verschwendet wird, sondern auch, weil diese Energie als Wärme freigesetzt wird. Dadurch wiederum wird die Polymer-Diode aufgeheizt, und ihre Lebensdauer wird verkürzt.
Das Effizienz-Dilemma
Und die 25-Prozent-Grenze hat auch eine Konsequenz für den Bau eines elektrisch gepumpten Polymer-Lasers, der auf dem gleichen Prinzip beruhen würde wie die Polymer-Diode. Energie wird in Form von elektrischem Strom zugeführt, und Licht wird anschließend abgestrahlt. 75 Prozent der elektrischen Energie werden jedoch in die Erzeugung von Tripletts gesteckt, und für die Singuletts, die mit Hilfe der übrigen 25 Prozent erzeugt werden, ist kein Laserbetrieb möglich.
Die Konsequenz dieser Ergebnisse wird trotzdem kaum die sein, daß sich Wissenschaftler und Konstrukteure enttäuscht von dem Materialsystem konjugierte Polymere abwenden. Vielmehr dürfte die Suche nach Auswegen aus dem Effizienz-Dilemma verstärkt werden. Ein Ansatz ist dabei, ähnlich wie bei dem Trick mit den Palladium-Atomen winzige Mengen an Metallatomen in das Polymer einzubringen, damit auch von den dunklen Tripletts Licht abgestrahlt werden kann. Ein anderer Ansatz ist es, spezielle Molekülkomplexe in das Polymer einzubringen, die die Tripletts leuchten lassen.
