Vid Paul Scherrer Institute PSI, forskare har fått insikter i ett lovande material för organiska lysdioder (OLED). Ämnet möjliggör höga ljusavkastning och skulle vara billigt att producera i stor skala – det betyder att det praktiskt taget är gjord för användning i stora rumsbelysning. Forskare har letat efter sådana material under lång tid. Den nyskapade förståelsen kommer att underlätta en snabb och kostnadseffektiv utveckling av nya belysningsapparater i framtiden. Studien visas idag i tidskriften Naturkommunikation .

Föreningen är en gulaktig fast substans. Om du löser det i en vätska eller lägger ett tunt lager av det på en elektrod och sedan applicerar en elektrisk ström, den avger ett intensivt grönt sken. Anledningen:Molekylerna absorberar energin som tillförs dem och avger den gradvis igen i form av ljus. Denna process kallas elektroluminescens. Ljusemitterande dioder är baserade på denna princip.

Detta gröna självlysande ämne är en het kandidat för att producera OLED, organiska lysdioder. Sedan ungefär tre år tillbaka OLED:er har hittats i skärmar på smartphones, till exempel. Sålänge, de första flexibla tv-skärmarna med dessa material har också kommit ut på marknaden.

Dessutom, OLED:er möjliggör kostnadseffektiv rumsbelysning med stor yta. Först, dock, det material som passar bäst för denna applikation måste hittas. Det beror på att många ämnen som övervägs för OLED innehåller dyra material som iridium, och detta hindrar deras applicering i stor skala och på omfattande ytor. Utan sådana tillsatser, materialen kan faktiskt bara avge en liten del av den energi som tillförs dem som ljus; resten är förlorat, till exempel som vibrationsenergi.

Målet med aktuell forskning är att hitta effektivare material för billigare och mer miljövänliga displayer och belysning med stora ytor. Här, billiga och lättillgängliga metaller som koppar lovar framsteg.

Under närmare granskning

Forskare har nu gjort en mer exakt undersökning av den kopparhaltiga föreningen CuPCP. Det finns fyra kopparatomer i mitten av varje molekyl, omgiven av kol- och fosforatomer. Koppar är en relativt billig metall, och själva blandningen kan lätt produceras i stora mängder - idealiska förutsättningar för användning på stora omfattande ytor.

"Vi ville förstå hur det exciterade tillståndet av föreningen ser ut, säger Grigory Smolentsev, en fysiker i forskargruppen operandospektroskopi. Det vill säga:Hur förändras ämnet när det tar upp energi? Till exempel, förändras molekylens struktur? Hur är laddningen fördelad över de enskilda atomerna efter excitation? "Detta avslöjar hur stora förluster av energi som inte kommer att frigöras som ljus sannolikt kommer att vara, " tillade Smolentsev, "och det visar oss hur vi möjligen kan minimera dessa förluster."

Genom att använda två stora forskningsanläggningar vid PSI – Swiss Light Source SLS och röntgenfri elektronlaser SwissFEL – samt European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble, Frankrike, Smolentsev och hans medarbetare tog en närmare titt på kopparföreningens kortlivade exciterade tillstånd.

Mätningarna bekräftade att ämnet är en bra kandidat för OLED på grund av dess kemiska struktur. Föreningens kvantkemiska egenskaper gör det möjligt att uppnå ett högt ljusutbyte. En anledning till detta är att molekylen är relativt styv, och dess 3D-struktur ändras endast något när den är upphetsad. Nu kan forskare börja ytterligare optimera detta ämne för användning i OLED.

Verktyg för framtiden

Vad mer, Mätningarna vid de tre stora forskningsanläggningarna vid PSI och i Grenoble var betydelsefulla inte bara för undersökningen av denna ena kopparhaltiga förening. Det stod mer på spel:De experimentella data som erhölls på detta sätt är också användbara för att förbättra teoretiska beräkningar av molekyler i allmänhet. "Så i framtiden kommer det att vara möjligt att bättre förutsäga vilka föreningar som är mer lämpliga för OLED och vilka mindre, " säger Grigory Smolentsev. "Mätdata kommer att hjälpa kemister att förstå vilken del av molekylen som står i vägen för hög effektivitet. Och naturligtvis:hur blandningen kan förbättras för att öka dess ljuseffekt."