Simulation organischer Leuchtdioden
OLEDs (organic light-emitting diodes) besitzen das Potenzial, die Beleuchtungs- wie auch die Displaytechnik zu revolutionieren.
Wie anorganische Leuchtdioden besitzen sie gegenüber Glühlampen den Vorteil der deutlich höheren Effizienz und gegenüber Gasentladungslampen den der Dimmbarkeit und des instantanen Einschaltens. Als Alleinstellungsmerkmal gegenüber den konkurrierenden Leuchtmitteln erlauben sie die großflächige Herstellung, was neue Gestaltungsmöglichkeiten im Bereich der Raumbeleuchtung eröffnet.
Displays auf OLED-Basis zeichnen sich durch eine verschwindend geringe Dicke, extrem hohe Kontraste und blickwinkelunabhängige Darstellung aus. Darüber hinaus sind sie in biegsamer Form realisierbar, was sich bereits jetzt in Geräten mit gekrümmter Displayfläche äußert und mittelfristig auch zur Verfügbarkeit biegsamer Geräte führen wird.
Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau einer typischen OLED mit reflektierender Kathode und transparenter Anode sowie transparentem Substrat zwecks Lichtauskopplung.
Die hohe Effizienz aktueller OLEDs ist nur realisierbar mittels komplexer Schichtfolgen, die aus einer Vielzahl von Materialien mit speziellen Funktionen bestehen. Zum einen wird durch unterschiedliche Ladungsträgerbeweglichkeiten und Energieniveaus die Lage der Rekombinationszone auf eine oder mehrere Emissionsschichten begrenzt, zum anderen wird durch den Einsatz spezieller Dotierstoffe in diesen Emissionsschichten die Effizienz erhöht und die Farbe des erzeugten Lichts festgelegt.
Durch die große Auswahl an Materialien und die unzähligen Freiheitsgraden, die sich aus der Variation von Schichtfolgen, -zusammensetzungen und -dicken ergeben, ist es praktisch unmöglich, die optimale Bauelementstruktur durch Versuchsreihen zu bestimmen. In Ermangelung belastbarer physikalischer Modelle wird genau das aber gegenwärtig in der OLED-Entwicklung versucht. Wünschenswert ist es daher, Simulationsprogramme zur Verfügung zu stellen, die im Entwicklungsprozess ebenso zentrale Bedeutung besitzen, wie es in der klassischen Halbleitertechnik schon lange der Fall ist.
Die Schwierigkeit dabei besteht darin, dass sich amorphe organische Materialien fundamental von kristallinen anorganischen Halbleitern unterscheiden und ihre Erforschung noch in den Anfängen steckt. Im anorganischen Halbleiter sind alle Atome kovalent an ihre Nachbarn gebunden und bilden so ein Gitter, in dem die zum Stromfluss beitragenden Ladungsträger delokalisiert sind. Organische Halbleiter bestehen hingegen aus einzelnen Molekülen, die nur aufgrund der relativ schwachen Van-der-Waals-Wechselwirkung einen Festkörper bilden. Jeder Ladungsträger ist zu jedem Zeitpunkt auf einem dieser Moleküle lokalisiert. Stromtransport ist nur deshalb möglich, weil Ladungsträger über thermisch aktivierte Tunnelprozesse zwischen Molekülen wechseln können. Schon die korrekte Beschreibung eines einzelnen Übergangsprozesses ist nicht abschließend geklärt, gegenwärtig werden in der Forschung zwei konkurrierende mathematische Ausdrücke dafür verwendet.
Noch weitaus gravierender sind die Fragen, die sich aus der amorphen Struktur der organische Halbleiter ergeben. Diese bedeutet konkret, dass die Moleküle kein räumlich geordnetes Gitter bilden und dass ihre Energieniveaus in einer gewissen Bandbreite statistisch streuen, wie es in Abbildung 2 angedeutet ist. Aus dieser räumliche und energetische Unordnung ergeben sich freie Parameter, deren Einfluss noch nicht einmal theoretisch umfassend beschrieben ist.
Abbildung 2: Die linke Abbildung zeigt die gemäß einer Gaußfunktion statistisch verteilten Energieniveaus für Elektronen (lowest unoccupied molecular orbitals - LUMOs) und für Löcher (highest occupied molecular orbitals – HOMOs). Die rechte Seite veranschaulicht den Elektronentransport entlang der Moleküle mit statistisch verteilten Positionen und LUMO-Niveaus (farblich angedeutet).
Um die stochastischen Natur des Ladungsträgertransports zu berücksichtigen, muss die Monte-Carlo-Simulation oder die effizientere Mastergleichungssimulation auf einem dreidimensionale Gitter verwendet werden. Zur Modellierung von Bauelementen kann eine dieser beiden Methoden in Kombination mit der Lösung der Poissongleichung verwendet werden, um die Ladungsträger- und Feldverteilung zu berechnen.
Alternativ kann aus der Monte-Carlo- oder Mastergleichungssimulation zunächst eine Parametrisierung der mittleren Ladungsträgerbeweglichkeit in Abhängigkeit von Feldstärke und Ladungsträgerkonzen-tration bestimmt werden. Diese Parametrisierung ermöglicht eine ser schnelle Bauelementsimulation durch konsistente Lösung der Poissongleichung und des eindimensionalen Drift-Diffusionsmodells.
Mögliche Themen für Abschlussarbeiten bestehen z.B. darin, etablierte numerische Methoden aus der Halbleitersimulation zur Lösung der Drift-Diffusionsgleichung auf Beweglichkeitsmodelle für organische Halbleiter zu übertragen. Dazu sollen Programme in C++ oder Fortran neu erstellt bzw. erweitert werden. Vorkenntnisse in diesen Programmiersprachen sind nicht erforderlich. Lernbereitschaft und Interesse an physikalischen und numerischen Fragestellungen sind hingegen für die Bearbeitung eines solchen Themas unverzichtbar.
Die Arbeiten werden intensiv betreut, um einen erfolgreichen Abschluss zu ermöglichen.
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