Eine schwermetallfreie organische Leuchtdiode, die nahezu die gesamte elektrische Energie in Licht umwandelt, hat ein Team um Hiroki Uoyama von der Universität Kyushu vorgestellt. Die Technik basiert auf organischen Molekülen mit zwei Ringsystemen, die gegeneinander verdreht sind, wodurch verhindert wird, dass ein großer Teil der elektrischen Energie in Form von Wärme verloren geht. Bisher erreichte man das nur mit Metallatomen im Zentrum des Moleküls. Mit den neuen Materialien sollen Leuchtdioden in Zukunft weniger auf teure und schwierig zu gewinnende Elemente wie Iridium angewiesen sein.

Wenn Strom durch eine Leuchtdiode fließt, regt er Elektronen an – diese fallen anschließend wieder in ihren Ausgangszustand zurück und strahlen dabei Photonen ab. Allerdings kann das angeregte Elektron zwei unterschiedliche Zustände annehmen, von denen nur einer Licht aussendet: Der Singulettzustand zerfällt sofort wieder und sendet Licht aus, während der Triplettzustand, der bei der Anregung dreimal so häufig entsteht, seine Energie normalerweise als Wärme freigibt. Es gibt zwei Möglichkeiten, auch den Triplettzustand zum Aussenden von Licht zu bewegen: zum einen, indem man ein Metallatom in das Molekül einbaut, wie es in klassischen organischen Leuchtdioden geschieht. Zum anderen kann die Energie in einem als thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (thermally activated delayed fluorescence TADF) bezeichneten Prozess auf den Singulettzustand übertragen werden, so dass von dort aus Photonen ausgesendet werden – ein Effekt, den sich die Forscher zunutze machen.

In dem von den Chemikern um Uoyama konstruierte Molekül liegen die beiden Energiezustände so nah beieinander, dass die Elektronen allein durch die Wärmeenergie auf das Singulett-Niveau gehoben werden. Dadurch erzeugt nahezu jedes angeregte Elektron ein Photon. Zusätzlich, schreiben die Forscher, können sie die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtes mit Hilfe geeigneter chemischer Gruppen an den Ringen präzise einstellen, so dass die Dioden in verschiedenen Farben leuchten und für LED-Bildschirme eingesetzt werden können.