Organische halfgeleiders domineren de beeldschermtechnologie. De moleculaire materialen waar ze uit bestaan bieden een hoge flexibiliteit om unieke structuren te ontwerpen. Al geruime tijd proberen onderzoekers ook chirale structuren in te zetten bij het ontwerp van halfgeleiders, in de verwachting zo circulair gepolariseerd (ronddraaiend) licht aan te maken. Dit licht zou beeldschermen namelijk aanzienlijk kunnen helpen met het besparen van energie.

Nu is het een internationaal team met onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit van Cambridge gelukt, door halfgeleidende moleculen op elkaar te stapelen als links- of rechtsdraaiende spiraalkolommen. Dankzij hun chirale structuur zenden de spiraalkolommen sterk groen circulair gepolariseerd licht uit. Volgens gedeelde eerste auteur en chemicus Marco Preuß van de TU Eindhoven laat het project het belang van internationale samenwerkingen zien: ‘Wij in Eindhoven ontwierpen het materiaal en Cambridge bracht de natuurkundige kennis om het apparaat te bouwen.’

Uitgesmeerde ladingen

De meeste anorganische halfgeleiders – zoals op basis van silicium – hebben een symmetrische interne structuur. Hierdoor bewegen elektronen zonder enige voorkeursrichting door het materiaal. Door gebruik te maken van de organische halfgeleider triazatruxeen (TAT) is het de onderzoekers nu gelukt om de elektronen te ‘sturen’. Het materiaal TAT assembleert tot spiraalvormige stapels, waarbij elektronen langs de structuur kunnen bewegen zoals langs een springveer.

Door blauw of ultraviolet licht op TAT te schijnen gaan de kolommen helder groen licht uitzenden met een sterke circulaire polarisatie. ‘De gebonden toestand van een elektron en een elektronengat op een molecuul noem je een exciton. Wanneer die twee samenkomen ontstaat er licht’, zegt Preuß. ‘Wij ontdekten dat de excitonen in ons apparaat zich “uitsmeren” over een spiraalkolom en daarom de chiraliteit overnemen. Daardoor krijgt het uitgezonden licht een circulaire polarisatie.’

Olie en water

De samenwerking tussen de onderzoekersgroep van Richard Friend van de Universiteit van Cambridge en de groep van Bert Meijer van de TU Eindhoven was al geruime tijd aan de gang. De doorbraak volgde toen Preuß in het begin van zijn promotieonderzoek een paper las over een molecuul dat assembleerde tot achirale kolommen. ‘Dit molecuul zou perfect kunnen zijn om chirale kolommen mee te bouwen, dacht ik toen’, zegt Preuß. ‘Daarom synthetiseerde ik het molecuul. Maar de uitdaging bleek om er een chirale thin film van te maken die je in een apparaat kwijt kunt.’

Dat was het punt waarop gedeelde eerste auteur en natuurkundige Rituparno Chowdhury van de Universiteit van Cambridge instapte. ‘Hij bracht de natuurkundige kennis om een oled met een werkende thin film te maken’, zegt Preuß. ‘Een chiraal materiaal maken is namelijk niet zo moeilijk. Er eentje maken die doet wat je wil, dat is veel uitdagender.’

Met de ingebrachte kennis ontdekten de onderzoekers een verrassend simpele truc. ‘We plaatsten TAT in een gastmateriaal met een structurele “mismatch”, waardoor het TAT net als olie en water ging segregeren’, zegt Preuß. ‘Door dit te laten verdampen en op te warmen, vormden de TAT-moleculen gesegregeerde domeinen die kristalliseerden tot de chirale spiraalkolommen.’

Ongefilterd

De chirale halfgeleider zou van grote waarde kunnen zijn in de beeldschermtechnologie. Huidige schermen verbruiken veel energie door de manier waarop schermen licht filteren. Zo gebruiken smartphones anti-reflectiefilters die zonlicht invangen, zodat je ook buiten naar je scherm kunt kijken zonder dat de zon de helderheid van je scherm overstemt. ‘Het probleem is dat ongeveer de helft van het licht dat huidige oleds uitzenden ook door deze filters tegengehouden wordt’, zegt Preuß. ‘Circulair gepolariseerd licht daarentegen kan moeiteloos door deze filters heen. Dat zou de schermen dus een stuk energiezuiniger maken.’

Hoewel het apparaat van de onderzoekers fantastisch werkt, is het volgens Preuß nog niet klaar voor de maatschappij. ‘De levensduur is nog veel te kort. Waar een oled voor de industrie duizenden uren moet kunnen volhouden zonder functieverlies, houdt de onze er na een honderdtal uur mee op. Om dit te verbeteren is er meer onderzoek nodig, wellicht in samenwerking met de industrie.’

Chowdury, R. et al. (2025) Science 387(6739), DOI: 10.1126/science.adt3011