05-06-2003
Leuchtende elektrochemische Schicht

Preiswert, hell und großflächig sind OLEDs - Leuchtdioden aus organischem Material, die man schon in verschiedenen Displays bestaunen kann. Forscher um den Nobelpreisträger Alan Heeger haben die elektrischen Eigenschaften leuchtender organischer Substanzen jetzt elektrochemisch verbessert.

Vor acht Jahren hatte Heegers Gruppe an der Universität von Santa Barbara eine leuchtende Schicht aus zwei Polymersorten hergestellt, die zusätzlich einen Elektrolyten enthielt, also ein Salz in Lösung. Die Polymermoleküle waren mit den positiven und negativen Ionen des Elektrolyten dotiert. Dadurch ließ sich die Schicht durch eine kleinere elektrische Spannung zum Leuchten anregen als eine Schicht ohne Elektrolyt. Allerdings nahm die Leuchtfähigkeit solch einer Light-emitting Electrochemical Cell (LEC) sehr rasch ab. Das Material erwies sich als instabil. Diese Probleme haben David Moses, Alan Heeger und ihre Mitarbeiter jetzt überwunden.

Die neue Leuchtschicht besteht nur noch aus einer Polymersorte, in die ein bromhaltiger Elektrolyt integriert ist. Dieses Polymer wird als 100 bis 270 nm dünner Film auf eine mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichtete Glasplatte aufgetragen. Anschließend wird der Polymerfilm mit Aluminium bedampft. Schließt man eine elektrische Spannung von wenigen Volt an die Aluminium- und die ITO-Elektrode, so beginnt der Polymerfilm zu leuchten, zunächst schwach, dann immer heller. Schließlich bleibt die Helligkeit über viele Stunden unverändert.

Sobald eine Spannung an der Polymerschicht anliegt, beginnen die negativ geladenen Bromionen im Polymer von der Aluminiumkathode weg zur ITO-Anode hin zu wandern. Vor den beiden Elektroden bilden sich dadurch Bereiche, in denen die Polymerschicht positiv bzw. negativ geladen ist. Diese dotierten Bereiche ermöglichen es den Elektronen, schon bei einer vergleichsweise kleinen Spannung von 2,9 V aus der Aluminiumkathode in die Polymerschicht einzudringen bzw. die Schicht über die ITO-Anode wieder zu verlassen.

Verlässt ein Elektron die Polymerschicht, so bleibt ein positiv geladenes Loch zurück, das zur Mitte der Polymerschicht wandert. Dort trifft es auf eines der Elektronen, die von der Aluminiumkathode her kommen. Das Elektron fällt dann aus dem Leitungsband des Polymers in das Loch im Valenzband und es entsteht ein Photon. Bei der von Heegers Gruppe benutzten Polymerschicht war die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband so bemessen, dass das abstrahlte Licht eine leuchtend blaue Farbe hatte.

Doch wieso benötigte der Polymerfilm eine bestimmte Zeit, um sich "einzubrennen", und wieso leuchtete er dann über vielen Stunden unverändert hell? Um das zu verstehen, untersuchten die Forscher die Struktur des Polymerfilms mit einem Rasterkraftmikroskop. Es stellte sich heraus, dass der Film zunächst eine amorphe Struktur hatte. Sobald eine Spannung angelegt wurde und der Film zu leuchten begann, erhitzte er sich auf mehr als 70 Grad Celsius. Dabei kristallisierte das Polymer aus. In dieser kristallinen Form leuchtete es bedeutend heller. Wurde der Film anschließend auf Zimmertemperatur gekühlt, so blieb die kristalline Form stabil und die elektro-optischen Eigenschaften des Films veränderten sich nicht mehr. Nach den OLEDs könnte auch den LECs eine leuchtende Zukunft bevorstehen.

Rainer Scharf

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