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Simulation organischer Halbleiter

Organische Halbleiter bieten ein enormes Potenzial für die günstige Herstellung von elektronischen Bauteilen, zum Beispiel Leuchtdioden und Solarzellen. Forschende im Field of Expertise Advanced Materials Science der TU Graz untersuchen die physikalischen Eigenschaften der organischen Halbleiter auf atomarer Ebene mit Hilfe von anspruchsvollen Computersimulationen. Ziel ist es, Wege aufzuzeigen, wie man organische Halbleiter künftig besser nutzen kann: für die Produktion von preiswerten, flexiblen und großflächigen Bauteilen und die Entwicklung völlig neuer Materialsysteme.

Vielversprechende Eigenschaften

Organische Halbleiter werden in elektronischen Bauelementen eingesetzt. Sie basieren auf organischen Molekülen und sind primär aus Kohlenwasserstoffen aufgebaut. Vor allem die Verwendung in Bildschirmen hochwertiger Mobiltelefone und mittlerweile auch in high-end Großbildfernsehern ist kommerziell erfolgreich. Ein Vorteil ist, dass die Zahl organischer Halbleitermaterialien nahezu unbegrenzt ist. Außerdem sind sie sehr leicht, nicht spröde und bei niedrigen Temperaturen und auf flexiblen Materialien wie beispielsweise Kunststofffolien verarbeitbar. Auf Grund ihrer Eigenschaften können sie auch für großflächige Solarzellen und Beleuchtungskörper eingesetzt werden. Die Forschungsergebnisse sollen der Industrie in Zukunft ermöglichen, Produkte zu fertigen, die leichter, flexibler, kostengünstiger, energieeffizienter und robuster sind.

Tiefergehendes Verständnis für organische Halbleiter

Um organische Halbleiter noch effektiver nutzen und in elektronischen Schaltungen und Solarzellen kommerziell einsetzen zu können, untersuchen Forschende der TU Graz die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien.

Die Forschenden

  • testen und beschreiben die physikalischen Eigenschaften organischer Halbleiter mit Hilfe von Computersimulationen.
  • simulieren organische Halbleiter auf verschiedenen Größenskalen, beginnend bei der Materialstruktur auf atomarer Ebene bis zum Einsatz in komplexen Bauelementen.
  • beschäftigen sich mit dem Design neuer Strukturen für verschiedene Bauelemente, um auch so eine weitere Effizienzsteigerung im praktischen Einsatz zu ermöglichen.
  • kooperieren mit Forschungsgruppen, die sich mit der chemischen Synthese der Materialien, deren Charakterisierung und der Herstellung von Bauelementen beschäftigen.

Multiskalensimulation als nötige Herangehensweise

Um die organischen Halbleiter als makroskopisches Bauelement genau zu verstehen, kombinieren die Forschenden der TU Graz Simulationstechniken auf verschiedenen Längenskalen und vergleichen die Ergebnisse mit experimentellen Untersuchungen. Ziel ist eine nahtlose Integration von Material- mit Bauelementsimulationen.

Die dabei im Rahmen verschiedener Zugänge erzielten Erkenntnisse sollen letztendlich die Beschreibung von Materialien von der Quantenskala bis zu Details der Integration in Bauelemente erlauben. Die eingesetzten Methoden reichen von quantenmechanischer Modellierung über Molekulardynamik und Kinetic Monte Karlo bis zu Drift-Diffusionssimulationen. Zur effizienten Umsetzung eines derartigen Multiskalenansatzes soll eine bottom-up mit einer top-down Strategie kombiniert werden, siehe Abbildung 2. 

Die bottom-up Strategie startet mit einer quantenmechanischen Beschreibung und erschließt von dieser ausgehend immer größere Längenskalen. 

Im Gegensatz dazu liegt der Startpunkt der top-down Strategie beim makroskopischen Drift-Diffusionsansatz, von dem ausgehend die Beschreibung der Bauteile immer mehr verfeinert wird – mit dem Ziel, dass sich die beiden Zugänge in der Mitte treffen.

Bildquelle Egbert Zojer und Manuel Vieider

Abbildung 1:
Die Grafik zeigt die simulierte Struktur einer Molekülschicht auf einer Metallelektrode, wie sie beispielsweise im Bereich der Kontakte organischer Bauelemente zum Einsatz kommt.

Bildquelle Egbert Zojer
Egbert Zojer, Arbeitsgruppenleiter

Unsere Arbeitsgruppe am Institut für Festkörperphysik beschäftigt sich mit der Computersimulation von organischen Halbleitern auf atomarer Ebene. Wenn wir die Materialeigenschaften besser verstehen, können wir Möglichkeiten zur Entwicklung völlig neuartiger Materialsysteme aufzeigen, was ich besonders spannend finde.

Bildquelle Egbert Zojer

Abbildung 2:
Schematische Darstellung der bottom-up und top-down Strategie zur integrierten Material- und Bauelementsimulation auf verschiedenen Längenskalen.

Bildquelle Karin Zojer
Karin Zojer, Teamleiterin

Ich untersuche die Simulation des elektrischen Stromflusses in organischen Bauelementen. Faszinierend finde ich dabei, das Wechselspiel zwischen der geometrischen Struktur des Bauelements bzw. den auftretenden Grenzflächen und dessen Funktionsweise verstehen zu können.

Bildquelle Thomas Taucher - TU Graz

Das Simulationsteam vom Institut für Festkörperphysik:
(Foto Sep. 2015)

1. Reihe von links: Thomas Taucher, Veronika Obersteiner, Shashank Harivyasi, Elisabeth Wruß, Oliver Hofmann (Teamleiter)
2.
Reihe von links: Karin Zojer (Teamleiterin), Iris Hehn, Anton Fernandez-Fernandez, Elisabeth Verwüster, Anna Eibel, Markus Krammer, Egbert Zojer (Arbeitsgruppenleiter)

Bildquelle: Oliver Hofmann
Oliver Hofmann, Teamleiter

Mein Team und ich befassen sich insbesondere mit Ladungstransfer an Grenzflächen zwischen anorganischen und organischen Materialen. Besonders spannend finde ich dabei, dass verhältnismäßig kleine Änderungen, beispielsweise das Auftreten von Defekten oder eine unterschiedliche Dotierkonzentration, die elektronische Struktur der Grenzfläche fundamental verändern kann.

Kontakt

Institut für Festkörperphysik
Petersgasse 16/III
8010 Graz

Egbert ZOJER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Arbeitsgruppenleiter
+43 316 873 8475
egbert.zojernoSpam@tugraz.at

Oliver HOFMANN
Dipl.-Ing. Dr.techn.
Teamleiter 
+43 316 873 8465
o.hofmannnoSpam@tugraz.at

Karin ZOJER
Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 
Teamleiterin
+43 316 873 8974
karin.zojernoSpam@tugraz.at

Bildquelle: Vieider, Hofmann, Zojer – TU Graz

Links: Quantenmechanisch berechnete elektrostatische Energie an einer metall-organischen Grenzfläche.
Rechts: Elektrostatisches Potenzial im Querschnitt eines organischen Dünnfilmtransistors als Ergebnis einer Drift-Diffusionssimulation.

 

 

Zusammenarbeit macht erfolgreich

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperieren die Forschenden des Bereichs Simulation organischer Halbleiter im Field of Expertise Advanced Materials Science der TU Graz national und international mit zahlreichen Forschungseinrichtungen.

Internationale Kooperationen

  • Comenius Universität Bratislava, SK  
  • Durcham University, UK
  • Humboldt Universität zu Berlin, D
  • Institute for Molecular Science, Japan
  • Institute of Technology, Karlsruhe, D
  • Universität Bologna, I
  • Universität Heidelberg, D
  • Universität Jena, D
  • Universität Potsdam, D
  • University Milano-Bicocca, I
  • University of Arizona, USA
  • University of Southern Denmark, DK
  • Weizmann Institute of Science, Israel

Nationale Kooperationen

  • Institut für Chemische Technologie von Materialien, TU Graz
  • Institut für Festkörperphysik, TU Graz
  • Joanneum Research, Steiermark und Kärnten
  • Karl-Franzens-Universität Graz 
  • Vienna Scientific Cluster
  • Zentraler Informatikdienst der TU Graz, Abteilung für Computing & Application Services