Dr Emma Puttock Marie Skłodowska-Curie Actions Postdoctoral Fellow   Email: emma.puttock∂kit.edu https://orcid.org/0000-0003-3050-7489

Lebenslauf

Dr. Emma Puttock ist eine Nachwuchswissenschaftlerin, die sich auf die Entwicklung emissiver Moleküle für Anwendungen in der organischen Elektronik spezialisiert hat. Seit November 2023 arbeitet sie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Forschungsprojekt "HyperDyad" unter der Leitung von Prof. Dr. Stefan Bräse. Das Projekt konzentriert sich auf die Erforschung des Einsatzes von Energietransfer-Dyaden in der Hyperfluoreszenz mit dem Ziel, ein einzelnes Molekül zu schaffen, das in der Lage ist, den Hyperfluoreszenz-Mechanismus zu erreichen. Dies beinhaltet die Synthese und Untersuchung einer Reihe von verbrückten Doppelchromophor-Molekülen, die den Weg für die nächste Generation von organischen Leuchtdioden (OLEDs) ebnen werden.
Dr. Puttock promovierte 2017 in anorganischer Chemie an der Durham University (UK). Im Mittelpunkt ihrer Doktorarbeit stand die Synthese und Untersuchung von Pt(II)-, Ir(III)- und bimetallischen Komplexen unter der Leitung von Prof. J. A. Gareth Williams. Nach ihrer Promotion ging sie als Postdoktorandin nach Australien, wo sie sich unter der Leitung von Prof. Paul Burn an der University of Queensland und in Zusammenarbeit mit Prof. Chihaya Adachi an der Kyushu University, Japan, auf die Entwicklung von Ir(III)-Polydendrimeren und thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz (TADF) konzentrierte. Im Jahr 2021 kehrte sie an den Fachbereich Chemie der Universität Durham zurück, um unter der Leitung von Prof. J. A. Gareth Williams als Postdoktorandin an der Spektroskopie von Pt(II)-Sandwich-Komplexen zu forschen. Im Jahr 2022 wechselte sie an den Fachbereich Physik der Universität Durham, wo sie in Zusammenarbeit mit der Merck KGaA an der Spektroskopie von hyperluminiszenten OLED-Materialien unter der Leitung von Prof. Andy Monkman arbeitete.

​Was ist Hyperfluoreszenz?

Hyperfluoreszenz¹ ist ein Emissionsmechanismus, der in modernen OLEDs zum Einsatz kommt und zunehmend als vierte Generation von Bauelementen bezeichnet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bauelementen, bei denen eine einzige emittierende Spezies in ein Wirtsmaterial dotiert wird, werden bei Bauelementen mit Hyperfluoreszenz zwei unterschiedliche emittierende Spezies in die lichtemittierende Schicht dotiert (Abbildung 1). Eine der emittierenden Spezies ist ein TADF-"Sensibilisator", der als Hilfsdotierstoff fungiert, indem er die elektrisch erzeugten Triplett-Exzitonen in den Singulett-Zustand des TADF-Moleküls umwandelt [über Reverse Intersystem Crossing (RISC)]. Die Singulett-Exzitonen werden dann in den S1-Zustand des fluoreszierenden Emitters übertragen [über Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET)], und das fluoreszierende Molekül emittiert Licht. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, die hohen internen Quanteneffizienzen von TADF-Emittern mit der hohen Farbreinheit von Fluoreszenzemittern zu kombinieren (Abbildung 2).

Abbildung 1. Emissionsmechanismus bei der Hyperfluoreszenz.

Abbildung 2. Von Kyulux hergestelltes hyperfluoreszierendes Gerät, das die verbesserte Farbreinheit/Sättigung im Vergleich zu einer TADF-OLED und demselben TADF-Emitter in einem hyperfluoreszierenden Gerät zeigt. ²

Herausforderungen in der Hyperfluoreszenz

Das Erreichen der gewünschten Leistung bei der Hyperfluoreszenz ist nach wie vor eine große Herausforderung, da die Abstände und Ausrichtungen zwischen Sensibilisator und Emitter für die Geräteeigenschaften entscheidend sind. Energie kann vom TADF-Sensibilisator auf den fluoreszierenden Emitter durch zwei Hauptprozesse übertragen werden, die sich entweder vorteilhaft oder nachteilig auswirken. FRET kann Singulett-Exzitonen vom TADF-Sensibilisator auf den Fluoreszenzemitter über große Entfernungen (1-10 nm) übertragen. Dies ermöglicht eine effiziente Fluoreszenz des terminalen Emitters, obwohl der Prozess selbst stark von den Chromophorabständen und -ausrichtungen abhängt. Während die FRET-Raten bei kurzen Abständen am größten sind, kann DET bei extrem kurzen Abständen (<1 nm) auch die Übertragung von Triplett-Exzitonen vom TADF-Sensibilisator auf den Fluoreszenzemitter ermöglichen. Dies führt zu einer Exzitonenlöschung auf dem Fluoreszenzemitter, der nicht über den Triplett-Zustand emittieren kann. Um einen optimalen FRET-Energietransfer zu erreichen, müssen die Chromophore daher in einem präzisen Abstand und in einer präzisen Ausrichtung gehalten werden, um den FRET zu erleichtern, ohne dabei so nah zu sein, dass DET. 
Der derzeitige unkontrollierte Ansatz besteht darin, die Materialien einfach in einen Wirt zu mischen und davon auszugehen, dass die Materialien gleichmäßig im Film verteilt sind, was einfach nicht der Fall³ ist (Abbildung 3). Selbst bei einer gleichmäßigen Verteilung der Komponenten werden viele der Dotierstoff-Chromophore zu nahe beieinander liegen (was die DET erleichtert), während andere zu weit voneinander entfernt sind (was den FRET hemmt). Damit hyperfluoreszierende Geräte effizient sind, müssen die Wechselwirkungen zwischen den Chromophoren genau kontrolliert werden.

Abbildung 3. Zufällige Verteilung von Chromophoren in hyperfluoreszierenden Geräten

Material Design 

Sowohl TADF als auch fluoreszierende Emitter in hyperfluoreszierenden Geräten können strategisch moduliert werden, um ein gewisses Maß an Kontrolle über die Abstände und Ausrichtungen der Chromophore zu erreichen. Derzeit gibt es relativ wenig Forschung auf diesem Gebiet, wobei sich die Materialentwicklung bisher eher auf die Verfeinerung einzelner Komponenten der Mischung als auf einen ganzheitlichen Ansatz zum Verständnis und zur Entwicklung des Systems als Ganzes konzentriert. 
In Zusammenarbeit mit Professor Stefan Bräse (KIT), Alexander Colsmann (KIT) und Professor Karl Börjesson (Universität Göteborg) erforschen wir einen völlig neuen Ansatz zur Hyperfluoreszenz. Wenn Sie mehr über diese spannende Forschung erfahren möchten, wenden Sie sich an die Marie-Skłodowska-Curie-Postdoc-Stipendiatin Dr. Emma Puttock (emma.puttock∂kit.edu).

¹ H. Nakanotani et al., Nat. Commun., 2014, 5, 1–7
² A. Endo et al., SID Symp. Dig. Tech. Pap., 2020, 51, 57–60
³ C. Tonnelé et al., Angew. Chemie - Int. Ed., 2017, 56, 8402–8406.