Fosforescentie is een zogenoemde ‘verboden overgang’, iets wat je volgens de kwantumchemische regels niet zou mogen zien. Het is het terugvallen van een molecuul in een specifieke aangeslagen toestand, de triplet-toestand. Als je normaal een molecuul aanslaat, dan komt het in de singlet-toestand en valt dan terug met het uitzenden van licht (fluorescentie) of zonder.

De overgang van singlet naar triplet en de resulterende fosforescentie zou – zeker op kamertemperatuur – dus eigenlijk niet voor moeten komen. ‘Maar als je je materiaal op de juiste manier afstelt, kan het tóch gebeuren’, vertelt Wouter Maes, gewoon hoogleraar organische synthese. Zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit Hasselt heeft met collega’s van Durham University (UK) en Universiteit Namen uitgezocht hoe je fosforescentie bij kamertemperatuur van organische moleculen in oplossing (sRTP) kunt krijgen zónder zware metalen, iets dat heel zeldzaam is.

‘Het begon eigenlijk als zoveel ontdekkingen’, zegt Maes. ‘In vorig onderzoek waren we per ongeluk gestoten op het feit dat de moleculen die we maakten in oplossing fosforescentie laten zien. In deze paper zochten we uit waar dat mee te maken heeft.’ Voor toepassingen is deze vondst nog lang niet relevant. ‘Het blijft een klein effect dat we waar hebben genomen, maar het is fundamenteel heel interessant, juist omdat het zo’n zeldzaam fenomeen is.’

De groep van Maes kijkt normaal gesproken naar materialen die geschikt zijn voor organische elektronica zoals OLED’s. Daarvoor probeer je meer fluorescentie te creëren en een van de manieren daarvoor is thermisch geactiveerde uitgestelde fluorescentie (TADF). ‘Om dat te krijgen moet je met de singlet- en tripletniveaus spelen, zodat die dichter bij elkaar komen en de overgang van singlet naar triplet en omgekeerd makkelijker wordt. Maar als je met die energieniveaus begint te spelen, dan kom je ook wel eens andere dingen tegen, zoals sRTP in dit geval.’

Door verschillende elektronendonoren aan dezelfde acceptor te koppelen en te vergelijken met het eerder gerapporteerde molecuul, konden Maes en collega’s bepalen welke eigenschappen zorgen voor sRTP. ‘Daarbij vonden we het ook belangrijk om van tevoren rationeel te bedenken – met behulp van DFT-berekeningen – wat de effecten van de donoren zouden zijn’, aldus Maes.

Omdat de acceptor hetzelfde bleef, bleef ook de aangeslagen triplet-toestand hetzelfde, maar de singlet-toestand veranderde per donor. Bij de originele donor (fenoxazine) zagen ze dus de fosforescentie. Bij de andere donoren was de afstand tot de singlet-toestand ofwel te hoog (wat leidt tot triplet-triplet annihilatie) ofwel te laag (wat leidt tot TADF). De onderzoekers concluderen dat een energie gap van ongeveer 0,4 eV optimaal is voor fosforescentie.

Paredis, S. et al. (2023) Chem. Eur. J. e202301369, DOI: 10.1002/chem.202301369