Bij het Paul Scherrer Instituut PSI, onderzoekers hebben inzicht gekregen in een veelbelovend materiaal voor organische lichtemitterende diodes (OLED's). De stof maakt hoge lichtopbrengsten mogelijk en zou niet duur zijn om op grote schaal te produceren - dat betekent dat het praktisch gemaakt is voor gebruik in grote ruimteverlichting. Onderzoekers zijn al heel lang op zoek naar dergelijke materialen. Het nieuw gegenereerde begrip zal de snelle en kostenefficiënte ontwikkeling van nieuwe verlichtingstoestellen in de toekomst vergemakkelijken. De studie verschijnt vandaag in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De verbinding is een geelachtige vaste stof. Als je het oplost in een vloeistof of een dun laagje ervan op een elektrode legt en er vervolgens een elektrische stroom op zet, het geeft een intens groene gloed af. De reden:de moleculen absorberen de energie die ze krijgen en zenden deze geleidelijk weer uit in de vorm van licht. Dit proces wordt elektroluminescentie genoemd. Light-emitting diodes zijn gebaseerd op dit principe.

Deze groene lichtgevende stof is een populaire kandidaat voor de productie van OLED's, organische lichtemitterende diodes. Sinds ongeveer drie jaar, OLED's zijn gevonden in de displays van smartphones, bijvoorbeeld. Ondertussen, ook zijn de eerste flexibele televisieschermen met deze materialen op de markt gekomen.

In aanvulling, OLED's maken een kostenefficiënte kamerverlichting met een groot oppervlak mogelijk. Eerst, echter, de materialen die het meest geschikt zijn voor deze toepassing moeten worden gevonden. Veel stoffen die in aanmerking komen voor OLED's bevatten namelijk dure materialen zoals iridium, en dit belemmert hun toepassing op grote schaal en op uitgebreide oppervlakken. Zonder dergelijke toevoegingen, de materialen kunnen eigenlijk maar een klein deel van de energie die ze als licht krijgen, afgeven; de rest is verloren, bijvoorbeeld als trillingsenergie.

Het doel van het huidige onderzoek is om efficiëntere materialen te vinden voor goedkopere en milieuvriendelijkere displays en verlichting voor grote oppervlakken. Hier, goedkope en gemakkelijk verkrijgbare metalen zoals koper beloven vooruitgang.

Onder nauwkeurig onderzoek

Onderzoekers hebben nu een nauwkeuriger onderzoek gedaan naar de koperhoudende verbinding CuPCP. Er zijn vier koperatomen in het midden van elk molecuul, omgeven door koolstof- en fosforatomen. Koper is een relatief goedkoop metaal, en de verbinding zelf kan gemakkelijk in grote hoeveelheden worden geproduceerd - ideale voorwaarden voor gebruik over grote uitgestrekte oppervlakken.

"We wilden begrijpen hoe de aangeslagen toestand van de verbinding eruitziet, " zegt Grigory Smolentsev, een fysicus in de onderzoeksgroep operando spectroscopie. Dat wil zeggen:hoe verandert de stof als hij energie opneemt? Bijvoorbeeld, verandert de structuur van het molecuul? Hoe wordt de lading na excitatie over de afzonderlijke atomen verdeeld? "Dit laat zien hoe hoog de verliezen aan energie die niet als licht vrijkomen waarschijnlijk zullen zijn, " voegde Smolentsev toe, "en het laat ons zien hoe we deze verliezen mogelijk kunnen minimaliseren."

Met behulp van twee grote onderzoeksfaciliteiten bij PSI - de Zwitserse lichtbron SLS en de röntgenvrije-elektronenlaser SwissFEL - evenals de Europese Synchrotron-stralingsfaciliteit in Grenoble, Frankrijk, Smolentsev en zijn medewerkers hebben de kortstondige opgewonden toestanden van de koperverbinding van naderbij bekeken.

De metingen bevestigden dat de stof vanwege zijn chemische structuur een goede kandidaat is voor OLED's. De kwantumchemische eigenschappen van de verbinding maken een hoge lichtopbrengst mogelijk. Een reden hiervoor is dat het molecuul relatief stijf is, en de 3D-structuur verandert slechts in geringe mate bij opwinding. Nu kunnen onderzoekers deze stof verder optimaliseren voor gebruik in OLED's.

Gereedschap voor de toekomst

Bovendien, de metingen bij de drie grote onderzoeksfaciliteiten van PSI en in Grenoble waren niet alleen van belang voor het onderzoek naar deze ene koperhoudende verbinding. Er stond meer op het spel:de experimentele gegevens die op deze manier zijn verkregen, zijn ook nuttig bij het verbeteren van theoretische berekeningen met betrekking tot moleculen in het algemeen. "Dus in de toekomst zal het mogelijk zijn om beter te voorspellen welke verbindingen geschikter zijn voor OLED's en welke minder, ", zegt Grigory Smolentsev. "De meetgegevens zullen de chemici helpen begrijpen welk deel van het molecuul hoge efficiëntie in de weg staat. En natuurlijk:hoe de compound verbeterd kan worden om de lichtopbrengst te verhogen."