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News: Vier Mal so viel Licht

Früher hatten Anzeigen noch Zeiger, die etwas anzeigten. Seit ein paar Jahren ist alles anders. Zunächst einmal heißt es jetzt 'Display', und an die Stelle der Skalen und mechanischen Ärmchen sind dünne Filme getreten, die kleine Farbpünktchen erzeugen. Und während man damals selbst schuld war, wenn ein Apparat stehen blieb, weil ihn niemand aufgezogen hatte, gibt heutzutage der leergesaugte Akku das frühzeitige Ende der Arbeit vor. Dafür ist vor allem das energiehungrige Display verantwortlich. Aber mit einer geschickten Mischung phosphoreszierender und fluoreszierender Substanzen haben Wissenschaftler nun die Lichtausbeute organischer Leuchtdioden um den Faktor vier auf fast 100 Prozent der eingespeisten Energie steigern können. Ein Hoffnungsschimmer für alle Benutzer von Handys, Notebooks und Gameboys.
Standardmäßig sind Notebooks von heute mit hauchdünnen Filmen mit einem eigenen Transistor für jeden Bildpunkt ausgestattet. Doch nach Ansicht vieler Fachleute gehört die Zukunft eher Displays mit organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs). Die sind zum einen heller, bieten bessere Farben bei kleineren Leuchtpunkten und verbrauchen weniger Strom. Allerdings vergeuden die meisten OLEDs noch rund drei Viertel der Energie, die hineingesteckt wird.

Bei den OLEDs handelt es sich um dünne Filme aus mehreren Schichten. An die beiden äußersten wird eine Spannung angelegt, so dass auf einer Seite Elektronen in das Material abgegeben und auf der anderen Seite abgesaugt werden. Dadurch entsteht ein Elektronenüberschuss beziehungsweise ein Mangel, den man sich als "Löcher" vorstellen kann. Elektronen und Löcher wandern aufeinander zu und verbinden sich in der Emissionsschicht zu Elektron-Loch-Paaren, den so genannten Exzitonen. Für jedes Exziton gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder passt der Spin des Elektrons zum Loch, dann kann das Elektron gleich den freien Platz einnehmen, wobei es ein Photon aussendet. Dieser Vorgang wird als Fluoreszenz bezeichnet. Oder aber der Spin des Elektrons passt nicht. In diesem Fall gelangt es zwar auch in das Loch, doch dabei geht die Energie als Wärme verloren.

Nur eines von vier Exzitonen liegt im richtigen Zustand vor, um Licht auszusenden. Deshalb bemühte sich Stephen Forrest von der Princeton University mit seinem Team darum, die Ausbeute zu erhöhen. Bereits 1998 entdeckte er eine Methode, phosphoreszierende Materialien so zu modifizieren, das sie bei jeder Rekombination von Elektron und Loch ein Photon emittierten. Da es aber sehr viel mehr fluoreszierende Substanzen mit den verschiedensten Eigenschaften gibt, wollte er auch deren Effizienz steigern.

Forrest unterteilte dazu die Emissionsschicht in der Diode noch weiter: Lagen aus fluoreszierenden und phosphoreszierenden Stoffen wechselten sich ab. Die Exzitonen gaben ihre Energie einem leichten Gefälle folgend über die benachbarte phosphoreszierende an die nächste fluoreszierende Schicht weiter. Während dieser Schritte wurden unpassende Elektronenspins gedreht, so dass alle Exzitonen bei der folgenden Rekombination Photonen abstrahlten (Nature vom 17. Februar 2000).

Damit war es den Wissenschaftlern gelungen, bei gleicher Energiezufuhr vier Mal so viele Photonen zu gewinnen. Aufgrund des Umweges durch die zusätzlichen Schichten war die Energie eines einzelnen Lichtquants jedoch ein wenig geringer als beim herkömmlichen Verfahren. Und weniger Energie bedeutet rotverschobene Farben. Folglich haben die Ingenieure noch ein hartes Stück Arbeit vor sich, damit unsere Notebooks nicht nur mit einer Akkuladung zehn Stunden laufen können, sondern uns auch mit der gewohnten Farbenpracht erfreuen.

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