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Dr. Denis Andrienko
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Pascal Kordt
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Pressemeldung

Von Molekülen zu OLEDs

7. April 2015

Wissenschaftler des Mainzer Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P), der BASF Ludwigshafen, der Universität Ulm und des InnovationLab in Heidelberg entwickeln ein Simulationspaket für die Berechnung der Eigenschaften organischer Leuchtdioden (OLEDs), bei dem ausschließlich die chemische Zusammensetzung benötigt wird. Das Paket ist in die kostenlose Software VOTCA integriert und hilft, passende organische Moleküle für Beleuchtungsanwendungen und Displays vorauszuwählen.

Mainz. Eine von Projektleiter Dr. Denis Andrienko geführte Forschungsgruppe am MPI-P (Theorie-Gruppe unter Leitung von Prof. Kurt Kremer) hat Multiskalen-Techniken entwickelt, die es ermöglichen, die makroskopischen Eigenschaften organischer Leuchtdioden ausgehend von der chemischen Zusammensetzung vorherzusagen. Die Verbindung zwischen molekularer und makroskopischer Größenordnung wird durch eine Kombination von "Coarse-Graining" mit einem effizienten Simulationsalgorithmus möglich (siehe Abbildung). Doktorand Pascal Kordt und Postdoktorand Dr. Jeroen van der Holst haben, zusammen mit anderen Entwicklern, die Implementierung dieser Ideen ausgeführt. Es können nun Elektronen- und Exzitonenbewegungen in makroskopisch großen OLED-Schichten simuliert werden, d.h. Schichten von ca. 100 Nanometern. Die Methoden sind in der wissenschaftlichen Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht, wo der Artikel als Aufmacher der aktuellen Ausgabe erscheint.

Multiskalen-Simulation von OLEDs. Kleine Kugel und Hintergrund: Pixelstruktur eines Samsung Galaxy S5 Handydisplays. Mittlere Kugel: atomistische Morphologie einer amorphen OLED-Schicht. Große Kugel: Wellenfunktion eines einzelnen Moleküls. Unten: Energielandschaft für Elektronen. Bild vergrößern

Multiskalen-Simulation von OLEDs. Kleine Kugel und Hintergrund: Pixelstruktur eines Samsung Galaxy S5 Handydisplays. Mittlere Kugel: atomistische Morphologie einer amorphen OLED-Schicht. Große Kugel: Wellenfunktion eines einzelnen Moleküls. Unten: Energielandschaft für Elektronen.

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Denis Andrienko erklärt den industriellen Nutzen der Software: "Moderne Handys nutzen schon OLED (AMOLED)-Displays, auch OLED-Fernseher kommen bereits auf den Markt. Dennoch werden neue Materialien in der Forschung oft einfach 'ausprobiert'. Mit unserem Ansatz können die Struktur der Materialien (Morphologie) sowie die Ladungsträgerbewegung darin systematisch vorhergesagt werden, ausgehend nur von der chemischen Strukturformel. Im Vergleich zu Experimenten ist so eine direkte Verbindung zwischen Chemie und Morphologie möglich." Seine Erwartung ist, dass diese computerbasierte Forschung in den kommenden Jahren stark wachsen wird, da Firmen hiermit viel Geld für die Synthese und Charakterisierung neuer Materialien sparen können. Diese Erwartung wird vom Europäischen Forschungsrat und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung geteilt, die das Projekt finanziell unterstützen (MESOMERIE, FKZ 13N10723).

Der Nobelpreis in Physik 2014 wurde für die Erfindung effizienter, blauer lichtemittierender Dioden (LEDs) an Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura verliehen. LEDs kommen als Anzeige in Weckern oder Unterhaltungselektronik vor, sie finden Verwendung in Taschenlampen oder in großen Displays, wo winzige rote, grüne und blaue LEDs einen Pixel formen und Millionen Pixel ein Bild. In jedem Pixel findet konstant die Rekombination von Elektronen mit ihren Gegenstücken (Löchern) statt. Dabei werden Photonen, die Elementarteilchen des Lichts, erzeugt. In Abhängigkeit des verwendeten Materials haben diese Photonen verschiedene Energien oder Wellenlängen, die die Farbe des Lichts bestimmen. Herkömmliche LEDs werden aus anorganischen Materialien hergestellt und zeichnen sich durch lange Haltbarkeit aus. Diese ist bei organischen Halbleitern teilweise noch ein Problem. Die jüngste Entwicklung zeigt jedoch, dass sie andere, vorteilhafte Eigenschaften mitbringen: extrem hohe Kontrastraten und die Möglichkeit, gekurvte oder flexible Displays herzustellen.


Mögliche Abläufe parameterfreier OLED-Simulationen: Polarisierbare Kraftfelder und die elektronischen Eigenschaften isolierter Moleküle werden mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet. Damit können amorphe Morphologien simuliert und die Ladungstransferraten in kleinen Systemen berechnet werden (mikroskopisches Modell). Vergröberte Modelle werden parametrisiert, indem makroskopische Variablen wie Ladungsmobilität des mikroskopischen Modells auf das vergröberte (Gitter-)Modell übertragen werden. Die resultierenden, analytischen Ausdrücke für die Mobilität können dann genutzt werden, um Drift-Diffusions-Gleichungen für die komplette OLED zu lösen, nachdem langreichweitige, elektrostatische Effekte und die Elektroden berücksichtigt wurden. Ein alternativer Weg ist die Entwicklung von nicht Gitterbasierten Modellen, bei denen die Verteilungsfunktionen und Korrelationen von Molekülenergien, Transferintegralen und Molekülpositionen reproduziert werden. Die Mastergleichung für dieses Modell kann mittels eines kinetischen Monte-Carlo-Algorithmus gelöst werden, sodass man die makroskopischen Eigenschaften der OLED als Ergebnis erhält.
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Mögliche Abläufe parameterfreier OLED-Simulationen: Polarisierbare Kraftfelder und die elektronischen Eigenschaften isolierter Moleküle werden mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet. Damit können amorphe Morphologien simuliert und die Ladungstransferraten in kleinen Systemen berechnet werden (mikroskopisches Modell). Vergröberte Modelle werden parametrisiert, indem makroskopische Variablen wie Ladungsmobilität des mikroskopischen Modells auf das vergröberte (Gitter-)Modell übertragen werden. Die resultierenden, analytischen Ausdrücke für die Mobilität können dann genutzt werden, um Drift-Diffusions-Gleichungen für die komplette OLED zu lösen, nachdem langreichweitige, elektrostatische Effekte und die Elektroden berücksichtigt wurden. Ein alternativer Weg ist die Entwicklung von nicht Gitterbasierten Modellen, bei denen die Verteilungsfunktionen und Korrelationen von Molekülenergien, Transferintegralen und Molekülpositionen reproduziert werden. Die Mastergleichung für dieses Modell kann mittels eines kinetischen Monte-Carlo-Algorithmus gelöst werden, sodass man die makroskopischen Eigenschaften der OLED als Ergebnis erhält.

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Die Aufgabe von Computersimulationen ist es, die Suche nach passenden Materialien zu unterstützen. Selbst mit modernen Supercomputern ist es jedoch nicht möglich, eine komplette OLED mit den Details aller Atome zu simulieren. Daher werden Multiskalensimulationen genutzt. Zuerst werden die Eigenschaften eines einzelnen Moleküls auf quantenmechanischer Ebene berechnet. Anschließend wird ein klassisches Modell des Moleküls parametrisiert, das dazu dient, Systeme mehrerer tausend Moleküle zu untersuchen. OLEDs sind jedoch aus Schichten in der Größenordnung von 100 Nanometern aufgebaut (Millionen von Molekülen). Im Softwarepaket VOTCA wird ein stochastisches Modell genutzt, das die Verteilung relevanter mikroskopischer Eigenschaften (z.B. den Abstand zwischen Molekülen) nachbildet und dann genutzt werden kann, um eine komplette OLED zu simulieren.

Trotz eines klaren Plans für die Erforschung neuer OLED Materialien bleibt die Forschung immer spannend, da die Methoden und die Software ständig weiterentwickelt werden.

 
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