Hybride Zustände von Licht und Materie können die Helligkeit von OLED deutlich steigern.

24. Februar 2025

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von Universität Turku

Forscher haben ein theoretisches Modell entwickelt, das eine signifikante Erhöhung der Helligkeit von organischen Licht emittierenden Dioden (OLEDs) vorhersagt, indem sie neuartige Quantenzustände namens Polaritonen nutzen. Die Integration von Polaritonen in OLEDs erfordert effektiv die Entdeckung neuer Materialien, was die praktische Umsetzung zu einer spannenden Herausforderung macht.

OLED-Technologie hat sich zu einer gängigen Lichtquelle in verschiedenen hochwertigen Anzeigegeräten wie Smartphones, Laptops, Fernsehern oder Smartwatches entwickelt.

Obwohl OLEDs mit ihrer Flexibilität und Umweltfreundlichkeit schnell Beleuchtungsanwendungen umgestalten, können sie relativ langsam sein bei der Umwandlung von elektrischem Strom in Licht, mit nur einer 25%igen Wahrscheinlichkeit effizient und schnell Photonen zu emittieren. Letzteres ist eine wichtige Voraussetzung, um die Helligkeit von OLEDs zu steigern, die im Vergleich zu anderen Lichttechnologien in der Regel dunkler sind.

Forscher der Universität Turku, Finnland, und der Cornell University, USA, haben nun ein Vorhersagemodell vorgeschlagen, um dieses Problem zu überwinden. Ihre Forschung wurde in Advanced Optical Materials veröffentlicht.

OLEDs sind elektronische Bauelemente aus organischen kohlenstoffbasierten Verbindungen, die Licht erzeugen, wenn ihnen elektrischer Strom zugeführt wird. In OLED-Displays emittieren die Pixel selbst Licht, im Gegensatz zu Flüssigkristallanzeigen, die LED-Hintergrundbeleuchtung verwenden.

Wenn sie zwischen zwei teiltransparenten Spiegeln eingeschlossen sind, können sich die organischen Emittenten mit dem begrenzten Licht koppeln und neue hybride Zustände von Licht und Materie namens Polaritonen erzeugen.

Durch Feinabstimmung dieser Zustände ist es möglich, einen optimalen Punkt zu finden, an dem die verbliebenen 75% dunklen Zustände anfangen, helle Polaritonen zu werden.

"Obwohl die allgemeine Idee, Polaritonen in OLED-Technologie zu verwenden, nicht ganz neu ist, hat bislang eine Theorie gefehlt, die die Grenzen von Leistungssteigerungen untersucht. In dieser Arbeit haben wir sorgfältig untersucht, wo der Polariton-Optimalbereich in verschiedenen Szenarien liegt.

Wir haben festgestellt, dass die Stärke des polaritonischen Effekts bei der Leistung von OLEDs von der Anzahl der gekoppelten Moleküle abhängt. Weniger ist besser", sagt Assistenzprofessor Konstantinos Daskalakis von der Universität Turku.

"Mit den Molekülen, die wir untersucht haben und einem einzelnen gekoppelten Molekül, verbesserte sich die Effizienz signifikant. Die Konversionsrate von dunkel zu hell stieg im besten Fall um einen riesigen Faktor von 10 Millionen", sagt Postdoktorand Olli Siltanen.

Bei einer großen Anzahl von Molekülen war der polaritonische Effekt vernachlässigbar. Daher kann die Konversionsrate von dunkel zu hell bei heutigen OLEDs nicht einfach durch Ausstattung mit Spiegeln gesteigert werden.

"Die nächste Herausforderung besteht darin, realisierbare Architekturen zu entwickeln, die ein starkes Kopplung einzelner Moleküle ermöglichen oder neue Moleküle für polaritonische OLEDs zu erfinden. Beide Ansätze sind anspruchsvoll, aber als Ergebnis könnten die Effizienz und Helligkeit von OLED-Displays erheblich verbessert werden", erklärt Daskalakis.

Die weitverbreitete Verwendung von OLEDs wurde durch Effizienzprobleme beeinträchtigt, aber vor allem durch Helligkeitsbeschränkungen, insbesondere im Vergleich zu traditionellen anorganischen LEDs. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen Weg auf, der die Grundlage für OLEDs schafft, die nicht nur effizienter sind, sondern auch Leistungsstufen erreichen können, die zuvor für unmöglich gehalten wurden.

Weitere Informationen: Olli Siltanen et al, Verbesserung der Effizienz von Polariton-OLEDs im und über dem Einzel-Excitations-Unterraum hinaus, Advanced Optical Materials (2025). DOI: 10.1002/adom.202403046

Journal-Information: Advanced Optical Materials

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