Molekulare strukturelle und Umgebungskontrolle des angeregten Zustandsverhaltens für effiziente Zink(II)-basierte niederenergetische TADFEmitter in Quanten-IT-Anwendungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Christel M. Marian; Professor Dr. Jens Pflaum; Professor Dr. Andreas Steffen
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565562605

Die Untersuchung von schnellen und effizienten molekularen Emittern die Triplett-Exzitonen nutzen können, ist von großer Bedeutung für High-Performance-OLEDs, aber auch für die Entwicklung künftiger Quanteninformationstechnologien. In solchen Anwendungsszenarien müssen molekulare Photonenquellen Licht im tiefroten bis nahen IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums erzeugen, um die Einkopplung in kommerzielle Glasfasernetze im 850-nm-Bereich zu ermöglichen. Niederenergetische angeregte Triplettzustände sind jedoch aufgrund des Energielücken-Gesetzes anfällig für nichtradiativen Zerfall, und aktuelle molekulare Triplett-Emitter auf der Basis von 5d-Edelmetallen, die eine starke Spin-Bahn-Kopplung für Phosphoreszenz aufweisen, sind im Wellenlängenbereich von 650-900 nm ineffizient. Aufgrund dieser Einschränkung gibt es derzeit keine elektrisch betriebenen molekularen Photonenquellen im NIR-Bereich. Der Mechanismus der thermisch aktivierten verzögerten Fluoreszenz (TADF), bei dem die Spin-verbotene Phosphoreszenz durch einen umgekehrten Intersystemübergang vom angeregten Triplettzustand in den angeregten Singulettzustand bei Raumtemperatur mit anschließender Spin-erlaubter Emission umgangen wird, birgt großes Potenzial zur Überwindung der geringen Lumineszenzeffizienz im gewünschten Energiebereich. In der vorangegangenen Förderphase des SPP 2102 haben die Gruppen von Marian und Steffen TADF-Emitter auf Zn(II)-Basis entwickelt, deren Strahlungsratenkonstanten im sichtbaren Bereich die effizientesten kommerziellen phosphoreszierenden Übergangsmetallkomplexe übertreffen. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse schlagen die Antragsteller nun vor, TADF-Emitter auf Zn(II)-Basis im roten bis nahen IR-Bereich für Quanten-ITAnwendungen zu entwickeln. Zu diesem Zweck ist die Kontrolle und Optimierung der photophysikalischen Parameter des TADF-Prozesses unabdingbar und erfordert ein gründliches Verständnis der strukturellen und umgebungsbedingten Einflüsse auf das Ensemble und auf Einzelmolekülebene, was bisher nur für sehr wenige Emitterklassen festgestellt wurde und für Zn(II)-Komplexe völlig unbekannt ist. Konkret werden i) die molekulare strukturelle Optimierung des TADF-Prozesses inklusive exzitonischer Emitter-Kopplung, ii) lokale Wirt-Gast-Effekte auf die Emitter und ihre Photodynamik und iii) die Kopplung der molekularen Emitter an plasmonische Nanostrukturen mit geeigneter Resonanzenergie untersucht. Nach der Evaluierung, wie die lokale Wirtsumgebung und plasmonische Nanostrukturen die TADF-Emittereigenschaften beeinflussen, werden schließlich prototypische Bauelemente aus den geeignetsten Zn(II)-Komplexen hergestellt und ihre optoelektronischen Eigenschaften in OLEDs und als elektrisch betriebene Einzelphotonenquellen bestimmt. Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, ist ein hochgradig interdisziplinärer Ansatz erforderlich, der die Kombination der komplementären Fachkenntnisse der drei Antragsteller in diesem Verbundprojekt rechtfertigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen