Organiska ljusemitterande dioder (OLED) används i smartphones och tv-apparater för att underlätta visning av färger med hög kontrast. Konjugerade polymerer används också ofta som organiska halvledare i sådana dioder. Forskare vid University of Bayreuth har tagit reda på hur den rumsliga strukturen hos dessa polymerer kan användas för att styra färgerna på OLED:erna och bidra till att öka bildskärmarnas ljusstyrka. De har nu presenterat denna tidigare okända mekanism i den vetenskapliga tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

Polymerer med ryggrad:rumsliga strukturer bestämmer ljusets färg

Polymerer som är väl lämpade för användning i organiska ljusemitterande dioder spelar en central roll i de nya forskningsresultaten. Tack vare kedjan som bildas genom att ansluta molekylära byggstenar, de har en ryggrad. Om polymererna sedan exponeras för en laserstråle, de absorberar ljuset och lagrar det som excitationsenergi. Denna energi sprider sig längs ryggraden. Strax efter det, det frigörs genom utsläpp av ljus.

Hittills hade man antagit att färgen på det utsända ljuset beror på hur långt excitationsenergin sprider sig längs polymererna:förmodligen, ju mer böjda polymererna var, desto mindre avstånd som energin sprider sig över. Dock, forskarna i Bayreuth har nu motbevisat detta antagande. Polymererna de studerade har skelett som är kemiskt identiska och böjda i olika grader, men excitationsenergin sprider sig alltid över samma avstånd. Böjda polymerer avger grönt eller blått ljus, medan långsträckta polymerer utstrålar gult eller rött ljus. "När dessa polymerer kommer att användas i organiska ljusemitterande dioder, deras olika rumsliga strukturer kan användas för att exakt styra färgen på ljuset som släpps ut från OLED:erna, "förklarade fysikern Dominic Raithel (M.Sc.), huvudförfattare till artikeln som nu har publicerats i PNAS .

Forskarna i Bayreuth fick också reda på att de långsträckta polymererna har en ställning som bildas av dess sidokedjor, som stabiliserar den långsträckta strukturen. "Detta resulterar i en speciell fördel för ljusemitterande dioder:när långsträckta polymerer läggs ovanpå varandra, ställningarna ger stabilitet. Optiskt utsläpp försvagas inte därmed ", sa Raithel, som nyligen avslutade sin avhandling i University of Bayreuths DFG-finansierade forskargrupp "Photophysics of Synthetic and Biological Multichromophoric Systems". I detta sammanhang, naturliga och syntetiska organiska material studeras i nära tvärvetenskapligt samarbete. Till exempel, experimentella fysiker Prof. Dr. Anna Köhler och Prof. Dr. Jürgen Köhler tillsammans med Prof. Dr. Mukundan Thelakkat, expert på funktionella polymerer, var inblandade i de nya experimenten.

Ett transatlantiskt samspel mellan teori och experiment

De jämförande experimentella undersökningarna av polymerer använde olika typer av spektroskopimetoder. "En avgörande faktor var enmolekylär spektroskopi vid mycket låga temperaturer, som Bayreuth försåg oss med sin högpresterande infrastruktur. Med denna metod, vi kunde bestämma färgen på det utsända ljuset och slutligen förlängningen av excitationsenergi över de kedjeliknande polymererna, "förklarade doktor Richard Hildner, som samordnade forskningen vid University of Bayreuth.

Forskarna i Bayreuth arbetade nära tillsammans med en forskargrupp vid Rice University i Houston, Texas. Dr Lena Simine och prof. Dr. Peter J. Rossky utförde omfattande beräkningar av polymerstrukturernas inverkan på färgen på det utsända ljuset. Att koppla samman experimentella och teoretiska metoder ledde till insikter i de individuella polymerkedjornas rumsliga strukturer vilket skulle ha varit omöjligt med traditionella bildtekniker.