Ombyggda färgmolekyler och kvantmekanik ska ge mer ljus

Genom att få energi att studsa fram och tillbaka i ett pyttelitet spegelsystem vill Wallenberg Academy Fellow Karl Börjesson få ut mer ljus ur molekyler som bland annat kan användas i lysdioder. Men först måste han bygga molekyler med exakt rätt egenskaper.

Karl Börjesson

Docent i fysikalisk kemi

Wallenberg Academy Fellow 2017

Lärosäte:
Göteborgs universitet

Forskningsområde:
Syntes av komplexa molekyler för användning inom materialvetenskapen. Fotofysikalisk/elektrisk karaktärisering av molekylära system.

Karl Börjessons forskning kan leda till bättre lysdioder. Men det han arbetar med är egentligen något helt annat.

– Vi kommer aldrig att bygga en lysdiod här. Men de system vi bygger görs på samma sätt som organiska lysdioder – så det här kan komma att användas i dem. Kanske också i lasrar, säger Karl Börjesson vid Göteborgs universitet.

Den som köpt TV på senare år har säkert stött på organiska lysdioder, OLED som de brukar kallas. De används framför allt just i skärmar där de är mer effektiva än vanliga LED.

Men för att OLED ska fungera tillräckligt bra krävs paradoxalt nog att de inte är helt organiska. Ordet organisk brukar inom kemin betyda något som innehåller kol och väte. De organiska lysdioderna innehåller organiska molekyler, men också atomer av någon tungmetall. Skälet är att de organiska molekylernas egenskaper egentligen inte passar riktigt med lysdiodstekniken.

Tungmetaller krävs i dagens dioder

I lysdioder skickar man in elektricitet som får elektroner i diodens material att flyttas till en högre energinivå; de exciteras. När elektronerna faller tillbaka till sin ursprungliga nivå skickas den extra energi som de haft ut, i form av ljus. Men för att det här ska fungera hos organiska molekyler krävs att elektronerna har rätt spinntillstånd. Det är en kvantfysikalisk egenskap som inte riktigt går att likna vid något i vardagen omkring oss.

De vanligaste tillstånden kallas singlett- och triplett-tillstånd, och i organiska molekyler kan bara singlett-tillståndet skicka ut ljus. Men bara en fjärdedel av de exciterade tillstånden i lysdioderna blir singletter. Tre fjärdedelar av den elektriska energin skulle alltså gå till spillo, om det inte varit för tungmetallen. Metallen gör det möjligt att skicka ut ljus även från triplett-tillstånd, och på så vis får man ut mer ljus ur dioden. Men metallens excitation är lite för långsam för att fungera optimalt. Dessutom är tungmetaller ovanliga, dyra och giftiga.

Kvantmekanik mellan mini-speglar ger mer ljus

Det är här Karl Börjessons forskning kommer in i bilden. Han försöker utveckla ett sätt att omvandla triplett- till singlett-tillstånd. I ett system med två spegelytor med ett tunt lager av organiska molekyler mellan sig, skickar han in ljus. Singlett-tillståndet börjar då sända ut ljus som studsar fram och tillbaka mellan speglarna. Om avståndet är precis rätt uppstår kvantmekaniska effekter som man kan dra nytta av, något som kallas stark exciton-foton-koppling. Energin för det exciterade singlett-tillståndet kan då manipuleras så att triplett omvandlas till singlett.

– Mitt slutmål är att kunna skicka ut ljus jättesnabbt och på ett kontrollerat sätt från vilken energinivå som helst i en molekyl, helst också i en definierad riktning, säger Karl Börjesson.

Utmaningen är att ta fram organiska molekyler som passar mellan speglarna. Molekylerna behöver vara någon typ av färgämne, eftersom det är färgämnen som har förmåga att absorbera och sända ut ljus. Karl Börjesson arbetar med att bygga om färgämnesmolekyler för att metoden ska fungera. I systemet krävs nämligen mycket höga koncentrationer, vilket leder till oönskade effekter. Molekylerna kan till exempel bilda kristaller eller få andra egenskaper som inte passar i systemet.

– Jag är den enda som arbetar med att utveckla optimerade färgämnen för just det här ändamålet. Eftersom vi är beroende av färgämnena som aktivt material så är det min styrka jämfört med andra forskargrupper.

”Att bli Wallenberg Academy Fellow betyder jättemycket för mig. Rent ekonomiskt gör det att jag kan utöka min instrumentpark, vilket är viktigt på lång sikt. Men annars handlar det mest om erkännandet. Det ger större säkerhet och gör mig till en viktig person för universitetet. I dag har jag en fast tjänst, vilket jag inte hade för ett år sedan. Det är jätteskönt.”

Tänkte aldrig på att bli forskare

När Karl Börjesson var liten lekte han gärna med lego och meccano, och tillsammans med en kompis plockade han sönder en gammal TV. När han valde utbildning var det självklart att det skulle ha med naturvetenskap och teknik att göra.

– Jag läste till civilingenjör och såg för mig en framtid inom industrin. Forskning tänkte jag aldrig på, jag visste nog inte ens vad en doktorand var. Men när jag hade gjort halva mitt examensarbete kände jag att det här var ju roligt, jag ville fortsätta.

Karl Börjesson tycker allra mest om när något oväntat händer. En händelse som ingen kunde förutspå, men som man ändå lyckas förklara. Något annat han upplever som viktigt och roligt är att anställa och handleda doktorander.

– Att doktorera är ju en utbildning. När jag anställer en doktorand kan man säga att jag med mina forskningsmedel betalar en utbildning åt någon. Om själva forskningsfrågan inte fungerar är det mitt ansvar att ha en backup-fråga. Men hur det än går, kan jag känna att jag har gjort något att vara stolt över: jag har hjälpt till att utbilda en annan människa.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström