'Losse' elektronen in stabiele kristalvlakken: nieuwe klasse materialen met mogelijke toepassing in OLED-technologie

Al sinds de jaren '70 wordt er onderzoek gedaan naar halfgeleidende polymeren (plastic elektronica), maar pas de laatste paar jaar beginnen de eerste producten op de markt te komen (bijvoorbeeld het 'James Bond' scheerapparaat van Philips). Displays gebaseerd op deze zogenaamde OLED-technologie (OLED = organic light emitting diode) hebben vele voordelen ten opzichte van bestaande technologieën als CRT (= cathode ray tube, de 'ouderwetse' monitor), LCD (= liquid crystal display, in platte beeldschermen) en plasmaschermen. Ze zijn goedkoper, energiezuiniger, hebben een grotere beeldhoek, grotere helderheid, beter contrast, grotere schakelsnelheid, ze zijn platter en bovendien zijn ze ook nog eens flexibel.

Er kan echter nog wel het een en ander aan huidige OLEDs verbeterd worden, met name aan de kathode die zorgt voor het injecteren van elektronen in het licht-uitzendende organische materiaal. Dit gebeurt efficiënt als de kathode een zogeheten lage werkfunctie heeft, wat betekent dat elektronen er makkelijk uit vrij te maken zijn. Metalen met een lage werkfunctie zijn echter reactief, wat weer leidt tot een beperkte levensduur van de schakeling. Dit kan alleen worden tegengegaan door materialen te gebruiken die weinig reactief zijn. Hierin zijn de elektronen evenwel sterk gebonden en daarom moeilijk vrij te maken. De gewenste eigenschappen zijn dus in strijd met elkaar.

Een ander aspect is de zogeheten anisotropie: hoe hangen werkfuncties en stabiliteit van het kathodemateriaal af van het kristalvlak? Al in 1940 heeft Smoluchowski een model ontwikkeld dat beschrijft hoe voor oppervlakken hun energieën (een maat voor hun stabiliteit) met hun werkfunctie variëren. De mate van 'openheid' (aantal atomen per oppervlakte-eenheid) van een oppervlak staat in dit model centraal. Uit het model kan geconcludeerd worden dat stabiele oppervlakken met een lage werkfunctie niet kunnen bestaan. Dit wordt bevestigd door de metallische elementen in het periodiek systeem en men nam altijd aan dat het ook meer algemeen geldt.

Matthé Uijttewaal (FOM), Gilles de Wijs (Radboud Universiteit Nijmegen) en Rob de Groot (FOM) hebben in samenwerking met onderzoekers van Philips in Aken en Eindhoven theoretisch onderzoek *) gedaan aan de verbinding BaAl 4 , een mooi modelsysteem. Dit onderzoek toont nu de beperkte geldigheid van het model van Smoluchowski aan. BaAl 4 is een stabiel metaal (relatief hoge bindingsenergie ten opzichte van de metalen barium en aluminium) en het heeft een specifiek oppervlak dat niet alleen de laagste werkfunctie heeft, maar ook nog eens de laagste oppervlakte-energie (het meest stabiel). Bovendien is de werkfunctie van dit oppervlak lager dan die van welk element ook.

De opvallende resultaten worden verklaard uit de heterogene binding tussen lagen met barium- en met aluminiumatomen (de elektronegativiteiten van barium en aluminium verschillen aanzienlijk). Met behulp hiervan kan zelfs voorspeld worden dat een stabiel oppervlak met een lage werkfunctie niet alleen bij deze verbinding op zal treden, maar bij een hele klasse van gelijksoortige verbindingen. Deze voorspelling is dus compleet tegengesteld aan het model van Smoluchowski. Het betekent dat er in principe een hele klasse aan materialen beschikbaar is voor betere OLEDs, al zal nog wel moeten worden onderzocht in hoeverre de grote thermodynamische stabiliteit ook inderdaad leidt tot een geringe chemische reactiviteit, en in hoeverre de fabricage ervan voor toepassing in OLEDs ook praktisch mogelijk is.