Organische light-emitting diodes (OLED's) worden gebruikt in smartphones en televisies om de contrastrijke weergave van kleuren te vergemakkelijken. Geconjugeerde polymeren worden ook vaak gebruikt als organische halfgeleiders in dergelijke diodes. Onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth hebben ontdekt hoe de ruimtelijke structuur van deze polymeren kan worden gebruikt om de kleuren van de OLED's te regelen en om de helderheid van monitoren te vergroten. Dit voorheen onbekende mechanisme hebben ze nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

Polymeren met een ruggengraat:ruimtelijke structuren bepalen de kleur van licht

Polymeren die zeer geschikt zijn voor gebruik in organische lichtemitterende diodes spelen een centrale rol in de nieuwe onderzoeksresultaten. Dankzij de ketting gevormd door het verbinden van moleculaire bouwstenen, ze hebben een ruggengraat. Als de polymeren vervolgens worden blootgesteld aan een laserstraal, ze absorberen het licht en slaan het op als excitatie-energie. Deze energie verspreidt zich langs de ruggengraat. Kort daarna, het komt vrij door emissie van licht.

Tot nu toe werd aangenomen dat de kleur van het uitgestraalde licht afhangt van hoe ver de excitatie-energie zich langs de polymeren verspreidt:zogenaamd hoe meer gebogen de polymeren waren, hoe kleiner de afstand waarover de energie zich verspreidt. Echter, de wetenschappers in Bayreuth hebben deze veronderstelling nu weerlegd. De polymeren die ze bestudeerden hebben ruggengraat die chemisch identiek zijn en in verschillende mate gebogen, maar de excitatie-energie verspreidt zich altijd over dezelfde afstand. Gebogen polymeren stralen groen of blauw licht uit, terwijl langwerpige polymeren geel of rood licht uitstralen. "Als deze polymeren worden gebruikt in organische lichtemitterende diodes, hun verschillende ruimtelijke structuren kunnen worden gebruikt om de kleur van het licht dat door de OLED's wordt uitgestraald nauwkeurig te regelen, " verklaarde natuurkundige Dominic Raithel (M.Sc.), hoofdauteur van het artikel dat nu is gepubliceerd in PNAS .

De onderzoekers in Bayreuth ontdekten ook dat de langwerpige polymeren een steiger hebben die wordt gevormd door zijn zijketens, die de langwerpige structuur stabiliseert. "Dit levert een bijzonder voordeel op voor light-emitting diodes:wanneer langwerpige polymeren op elkaar worden gelaagd, de steigers zorgen voor stabiliteit. Optische emissie wordt daardoor niet verzwakt", zei Raithel, die onlangs zijn proefschrift afrondde in de door DFG gefinancierde onderzoeksgroep "Photophysics of Synthetic and Biological Multichromophoric Systems" van de Universiteit van Bayreuth. In deze context, natuurlijke en synthetische organische materialen worden bestudeerd in nauwe interdisciplinaire samenwerking. Bijvoorbeeld, experimenteel fysici Prof. Dr. Anna Köhler en Prof. Dr. Jürgen Köhler samen met Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, expert in functionele polymeren, betrokken waren bij de nieuwe experimenten.

Een transatlantisch samenspel van theorie en experiment

De vergelijkende experimentele onderzoeken van polymeren maakten gebruik van verschillende soorten spectroscopiemethoden. "Een beslissende factor was spectroscopie met één molecuul bij zeer lage temperaturen, waarvoor Bayreuth ons zijn hoogwaardige infrastructuur heeft geleverd. Met behulp van deze methode, we waren in staat om de kleur van het uitgestraalde licht te bepalen en uiteindelijk de uitbreiding van de excitatie-energie over de ketenachtige polymeren, " verklaarde Dr. Richard Hildner, die het onderzoek coördineerde aan de Universiteit van Bayreuth.

De wetenschappers in Bayreuth werkten nauw samen met een onderzoeksgroep van de Rice University in Houston, Texas. Dr. Lena Simine en Prof. Dr. Peter J. Rossky hebben uitgebreide berekeningen gemaakt over de invloed van polymeerstructuren op de kleur van het uitgestraalde licht. Het koppelen van experimentele en theoretische methoden leidde tot inzichten in de ruimtelijke structuren van individuele polymeerketens die met traditionele beeldvormingstechnieken onmogelijk zouden zijn geweest.