Hyperfluoreszenz
Was ist Hyperfluoreszenz?
Hyperfluoreszenz1 ist ein Emissionsmechanismus, der in modernen OLEDs zum Einsatz kommt und zunehmend als vierte Generation von Bauelementen bezeichnet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bauelementen, bei denen eine einzige emittierende Spezies in ein Wirtsmaterial dotiert wird, werden bei Bauelementen mit Hyperfluoreszenz zwei unterschiedliche emittierende Spezies in die lichtemittierende Schicht dotiert (Abbildung 1). Eine der emittierenden Spezies ist ein TADF-"Sensibilisator", der als Hilfsdotierstoff fungiert, indem er die elektrisch erzeugten Triplett-Exzitonen in den Singulett-Zustand des TADF-Moleküls umwandelt [über Reverse Intersystem Crossing (RISC)]. Die Singulett-Exzitonen werden dann in den S1-Zustand des fluoreszierenden Emitters übertragen [über Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET)], und das fluoreszierende Molekül emittiert Licht. Mit diesem Ansatz können wir die hohen internen Quanteneffizienzen von TADF-Emittern mit der hohen Farbreinheit von Fluoreszenz-Emittern kombinieren (Abbildung 2).
Herausforderungen in der Hyperfluoreszenz:
Das Erreichen der gewünschten Leistung in der Hyperfluoreszenz bleibt eine große Herausforderung, da die Sensitizer-Emitter-Abstände und -orientierungen für die Geräteeigenschaften entscheidend sind. Die Energieübertragung vom TADF-Sensibilisator auf den Fluoreszenz-Strahler erfolgt über zwei Hauptprozesse, die entweder vorteilhaft oder nachteilig sind. FRET kann Singlet-Exzitone vom TADF-Sensibilisator über große Entfernungen (1-10 nm) zum Fluoreszenz-Emitter Dies ermöglicht eine effiziente Fluoreszenz des terminalen Emitters, obwohl der Prozess selbst stark von den Chromophorabständen und -ausrichtungen abhängt. Während die FRET-Raten bei kurzen Abständen am größten sind, kann DET bei extrem kurzen Abständen (<1 nm) auch die Übertragung von Triplett-Exzitonen vom TADF-Sensibilisator auf den Fluoreszenzemitter ermöglichen. Dies führt zu einer Exzitonenlöschung des fluoreszierenden Emitters, der nicht über den Triplett-Zustand emittieren kann. Um einen optimalen FRET-Energietransfer zu erreichen, müssen die Chromophore daher in einem bestimmten Abstand und in einer bestimmten Ausrichtung gehalten werden, um FRET zu ermöglichen, ohne dabei so nah zu sein, dass DET möglich ist.
Der derzeitige unkontrollierte Ansatz besteht darin, die Materialien einfach in einen Wirt zu mischen und davon auszugehen, dass die Materialien gleichmäßig in der Folie verteilt sind, was einfach nicht der Fall ist (Abbildung 3)3. Dennoch sind bei einer gleichmäßigen Verteilung der Komponenten viele der Dopantchromophore zu nahe (erleichternde DET), andere zu weit auseinander (hemmende FRET). Damit hyperfluoreszierende Geräte leistungsfähig sind, müssen die Chromophore-Interaktionen genau gesteuert werden.
Werkstoffgestaltung
Sowohl TADF als auch fluoreszierende Emitter in hyperfluoreszierenden Geräten können strategisch moduliert werden, um ein gewisses Maß an Kontrolle über die Abstände und Orientierungen der Chromophore zu erzielen. In der Materialentwicklung liegt der Schwerpunkt bisher eher auf der Verfeinerung einzelner Bestandteile des Gemisches als auf einem ganzheitlichen Ansatz zum Verständnis und zur Entwicklung des Gesamtsystems.
Gemeinsam mit Professor Alexander Colsmann (KIT) und Professor Karl Börjesson (Universität Göteborg) erforschen wir einen völlig neuen Ansatz zur Hyperfluoreszenz. Wenn Sie mehr über diese spannende Forschung erfahren möchten, wenden Sie sich bitte an Marie Skłodowska-Curie Postdoctoral Fellow, Dr. Emma Puttock (emma. puttock@kit. edu).
[1] H. Nakanotani et al., Nat. Commun., 2014, 5, 1–7
[2] A. Endo et al., SID Symp. Dig. Tech. Pap., 2020, 51, 57–60
[3] C. Tonnelé et al., Angew. Chemie - Int. Ed., 2017, 56, 8402–8406.