Materialentwicklung mit Simulations-Software

Von Molekülen zu OLEDs

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

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 (OLEDs) 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.

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 Exzitonenbewegung in makroskopisch großen OLED-Schichten simuliert werden, d.h. Schichten von ca. 100 nm. Die Methoden sind in der wissenschaftlichen Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht, wo man den Artikel auf der Titelseite der aktuellen Ausgabe findet.

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Denis Andrienko erklärt den industriellen Nutzen der Software: „Moderne Handys nutzen bereits OLED-(AMOLED-)Displays und OLED-Fernseher kommen auch bereits auf den Markt. Dennoch werden in der Forschung nach neuen Materialen diese oft einfach „ausprobiert“. In unserem Ansatz können die Struktur der Materialien (Morphologie) sowie die Ladungsträgerbewegung darin systematisch vorhergesagt werden, ausgehend nur von der chemischen Strukturformel. Verglichen zu Experimenten ist so eine direkte Verbindung zwischen Chemie und Morphologie möglich.“

Computersimulation spart Zeit und Geld
Die Forscher erwarten, dass diese computerbasierte OLED-Entwicklung in den kommenden Jahren stark wachsen wird, da sie Firmen viel Geld für die Synthese und Charakterisierung neuer Materialien sparen kann. Diese Erwartung wird vom Europäischen Forschungsrat und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung geteilt, die das Projekt finanziell unterstützen.

Herkömmliche LEDs werden aus anorganischen Materialien hergestellt und zeichnen sich durch lange Haltbarkeit aus. Die ist bei organischen Halbleitern teilweise noch ein Problem, die jüngste Entwicklung zeigt jedoch, dass diese andere, vorteilhafte Eigenschaften mitbringen: extrem hohe Kontrastraten und die Möglichkeit, gekurvte oder flexible Displays herzustellen.

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 nutzt man Multiskalensimulationen: 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 nm aufgebaut. Im Softwarepaket VOTCA wird ein stochastisches Modell genutzt, dass die Verteilung relevanter mikroskopischer Eigenschaften (z.B. den Abstand zwischen Molekülen) nachbildet, und dann genutzt werden kann, um eine komplette OLED zu simulieren.

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