Forschungen k?nnten die Herstellung von OLEDs – dem ?Licht der Zukunft“ – günstiger machen / Patentanmeldung l?uft

Sie geh?ren zu den komplexesten Forschungsger?ten der Welt: Der Europ?ische R?ntgenlaser European XFEL in der Metropolregion Hamburg und der Schweizer R?ntgenlaser SwissFEL am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen. Die beiden Aufsehen erregenden Gro?anlagen – die Abkürzung FEL steht für ?Freie-Elektronen-Laser“ – sind vor einigen Wochen in Betrieb gegangen. Wer damit forschen will, muss schon sehr gut sein – denn die Messzeit an diesen Gro?ger?ten ist ?u?erst kostbar und nur die aussichtreichsten Vorhaben von hoher Qualit?t und Relevanz k?nnen die ultramodernen R?ntgenlaser nutzen. Die Chemiker Dr. Matthias Vogt, Dr. Marian Olaru und Professor Jens Beckmann vom Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie (IACK) der Universit?t Bremen z?hlen dazu. Und nicht nur das: Sie geh?rten sowohl in Hamburg als ?Early Users“ als auch aktuell in der Schweiz innerhalb von Pilotexperimenten zu den ersten internationalen Wissenschaftler-Teams, die die neuen Gro?anlagen für Experimente nutzen.

?Gro?e Auszeichnung für meine Kollegen und mich“

?Für meine Kollegen und mich ist das eine gro?e Auszeichnung“, sagt der Bremer Nachwuchswissenschaftler Dr. Matthias Vogt. Aktuell führt der Chemiker innerhalb einer Kooperation mit den Experten um Dr. Christopher Milne am renommierten Paul-Scherrer-Institut in Villigen Pilotexperimente mit dem brandneuen R?ntgenlaser SwissFEL durch. Seine Forschungen bewegen sich auf einem Gebiet, das momentan als eine der interessanten Zukunftstechnologien weltweit sowohl in der Wissenschaft als auch der Wirtschaft im Zentrum der Aufmerksamkeit steht: OLEDs. Die Abkürzung bezeichnet organische LEDs, ?das Licht der Zukunft“, wie Matthias Vogt sagt.

Gegenüber den herk?mmlichen LEDs, die ihrerseits bereits ein Quantensprung bei der effizienten Erzeugung von Licht waren, haben OLEDs zahlreiche Vorteile. Sie sind wesentlich flexibler und ?u?erst energiesparend. ?Künftige Anwendungen k?nnen beispielsweise flexible – also biegsame oder verformbare – Displays sein“, so der Bremer Chemiker zu den m?glichen Anwendungen. ?Auch für die Fl?chenbeleuchtung werden sie eines Tages eine wichtige Rolle spielen. Statt wie heute mit LED-Lampen spot?hnliche Beleuchtung zu schaffen, wird man mit OLEDs Licht f?rmlich an W?nde und Decken ?tapezieren‘ k?nnen.“ Diese Lichtw?nde k?nnten dann ebenso ihre Farbe wechseln wie auch bewegte Bilder wiedergeben, also als Display funktionieren. Weil weltweit bis zu 30 Prozent der elektrischen Energie für Beleuchtung verwendet wird, ergibt sich durch die Energieeffizienz der OLEDs ein hohes wirtschaftliches Potenzial. Zudem gibt es eine wichtige ?kologische Komponente: OLEDs würden massive CO2-Einsparungen erm?glichen.

OLEDs lassen sich sogar aufdrucken

?Man k?nnte OLEDs, die selbstleuchtend sind – also nicht wie aktuelle Displays und Bildschirme eine Hintergrundbeleuchtung brauchen – sogar in Flüssigkeiten l?sen und ?hnlich wie Farbe einfach aufdrucken. Das wird der Verpackungsindustrie ganz neue Wege er?ffnen, wenn man Werbung oder Produktbezeichnungen einfach auf Beh?lter flexibel aufbringen und somit ?smarte Verpackungen‘ designen kann“, nennt Matthias Vogt ein weiteres attraktives Einsatzgebiet. Dazu kommt die wesentliche gr??ere Farbbrillanz und der h?here Kontrastreichtum der OLED-basierten Displays.

Die Grundlagenforschung der Bremer Wissenschaftler befasst sich allerdings nicht mit den sp?ter m?glichen Anwendungen, sondern mit ganz konkreten Problemen der Lichterzeugung: ?OLED-Displays werden bereits hergestellt und eingesetzt. Im Display des neuen Apple IPhone X wird beispielsweise eine OLED-basierte Technologie genutzt. Aber weil zur Herstellung von OLEDs sehr seltene Edelmetalle wie Iridium oder Platin genutzt werden, sind sie derzeit noch sehr teuer.“

Neue Substanzklasse auf Kupferbasis entwickelt

Für eine Massenanwendung müssen OLEDs also signifikant billiger werden. Genau dies wollen Matthias Vogt, Marian Olaru und Jens Beckmann erm?glichen – und sie sind auf einem guten Weg. Es ist ihnen n?mlich in den Laboren ihres Uni-Instituts gelungen, eine neue Substanzklasse zu entwickeln, die auf Kupferverbindungen beruht. Auf molekularer Ebene haben sie einen Cluster von Kupferkernen geschaffen. Er ist fast vollst?ndig von einer schützenden Hülle umschlossen, die auf Kohlenstoff und Phosphor basiert. ?Eigentlich sind Kupfer-Kohlenstoff-Bindungen sehr labil und luftempfindlich. Wir konnten aber ein System schaffen, das ?u?erst stabil und robust ist.“ Weil dies ein wichtiger Schritt hin zu neuen wesentlich günstigeren Lichterzeugern bedeuten kann, hat das Chemiker-Trio zusammen mit der Universit?t Bremen mittlerweile eine Patentanmeldung für diese Erfindung eingereicht.

Denn die Vorteile der ?Bremer Substanzklasse“ sind offensichtlich. Die Herstellung der neuartigen Kupfer-Cluster ist einfach und kostengünstig, die Lichtausbeute ?u?erst effizient. Gegenüber Umwelteinflüssen sind die Verbindungen widerstandsf?hig, in organischen L?sungsmitteln sind sie sehr gut l?slich und stabil. Der wohl wichtigste Faktor ist aber die günstige Produktion: ?Kupfer ist auf der Welt in gro?en Mengen vorhanden. Und wenn etwas für den Massenmarkt tauglich sein soll, muss es eben günstig herzustellen sein“, so Matthias Vogt.

Gro?forschungsanlagen erm?glichen wichtige Schritte

Die Experimente mit den neuen Gro?forschungsger?ten SwissFEL am PSI in Villigen und European XFEL in der Metropolregion Hamburg erm?glichen den Bremer Chemikern jetzt weitere wichtige Schritte. Matthias Vogt ist ganz begeistert von den M?glichkeiten der riesigen R?ntgenlaser, von denen es insgesamt weltweit nur fünf gibt: ?Wunderwerke der Technik, geplant und realisiert von Spezialisten aus der ganzen Welt.“ Der Europ?ische R?ntgenlaser in der Metropolregion Hamburg hat 1,22 Milliarden Euro gekostet. ?Die Tunnel-Anlage ist 3,4 Kilometer lang und liegt bis zu 38 Meter tief“, erkl?rt Vogt.

Beiden Anlagen ist gemein, dass sie die hellsten R?ntgenblitze der Welt erzeugen k?nnen. Diese sind nur Femtosekunden (billiardstel Sekunden) lang. In einer Sekunde k?nnen tausende Lichtblitze abgegeben werden. Diese Technologie soll neue Einblicke in Nanomaterialien, Biomoleküle und chemische Reaktionen schaffen – und genau das ist auch das Ansinnen von Matthias Vogt. Als Teil eines internationalen Teams von Wissenschaftlern aus der Schweiz, D?nemark, Russland und Deutschland sowie den Experten vor Ort war er vor einigen Wochen gemeinsam mit Marian Olaru in Hamburg einer der ersten Nutzer der neuen M?glichkeiten – und ist es nun aktuell in der Schweiz. ?Mit den neuen R?ntgenlasern k?nnen wir erstmals detailliert verfolgen, was in unseren Verbindungen im angeregten Zustand strukturell passiert. Wir k?nnen also genau die ultra-schnellen Prozesse untersuchen, die zur Lichtemission wichtig sind?‘“, so Vogt. ?Das war vorher nicht m?glich.“

Molekularen Prozessen auf der Spur

W?hrend man in Hamburg den inneren Kupferkern untersucht habe, konzentriert man sich in der Schweiz jetzt gezielt auf die umhüllende Kohlenstoff-Phosphor-Schicht. Die Technologie, die am SwissFEL zur Verfügung steht, erlaubt es speziell diese feinen Strukturen im Detail zu untersuchen. ?Für uns sind die Beobachtungen und Ergebnisse aus den Versuchsreihen unglaublich wichtige Informationen“, sagt der Bremer Chemiker. ?Als Grundlagenforscher wollen und müssen wir natürlich nachvollziehbar wissen, welche Reaktionen und Geschehnisse auf molekularer Ebene ablaufen. Nur dann wissen wir auch, an welchen Stellschrauben wir drehen müssen, um unsere Entwicklung noch besser und effizienter zu machen.“ Das Licht der Zukunft soll eine gute Grundlage haben.

Fragen beantwortet:

Dr. Matthias Vogt
Universit?t Bremen
Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie (IACK)
Telefon: 0152/36680126 oder 0421/218-63162
E-Mail: mavogtprotect me ?!uni-bremenprotect me ?!.de
Web: www.vogt-group-chem.org

Link zur original Pressemitteilung der Universit?t Bremen.