Optimale Kristalle drucken

Halbleiter aus organischen Materialien, etwa für Leuchtdioden (OLEDs) und Solarzellen, könnten in Zukunft silizium­basierte Elektronik ersetzen oder ergänzen. Die Effizienz solcher Bauelemente hängt entscheidend von der Qualität der dünnen Halbleiter-Schichten Halbleiter ab. Diese werden durch Beschichten oder Bedrucken mit speziellen Tinten erzeugt, die das Material enthalten. Forscher am Max-Planck-Institut für Polymer­forschung (MPI-P) haben ein Computermodell entwickelt, das die Qualität in Abhängigkeit von der Verarbeitung, wie der Trocknungszeit oder der Beschichtungs­geschwindigkeit, vorhersagt. Dieses Modell soll die zeitaufwendigen Ansätze zur Prozess- und Produkt­optimierung beschleunigen. 
 

Organische Halbleiter werden heute für verschiedene elektronische Bauteile wie Leuchtdioden, Solarzellen und Transistoren verwendet. Wo einige dieser Anwendungen bereits weit verbreitet sind (insbesondere OLEDs), müssen andere noch erheblich verbessert werden, bevor sie zur Marktreife gebracht werden können. Solche Komponenten sind auf den Transport von Elektronen durch den organischen Halbleiter angewiesen. Bei OLEDs beispielsweise werden die Elektronen durch eine elektrische Spannung mit Energie versorgt, die sie dann wieder in Form von Licht emittieren können. Ist die Qualität der organischen Schicht jedoch schlecht, wird ein Großteil der Energie an das Material zurückgegeben, ohne Licht abzugeben.

Eine attraktive Methode zur Herstellung der Halbleiter­schichten ist das Drucken oder Beschichten mit einer Tinte, die den organischen Halbleiter in einem Lösungs­mittel enthält. Beim Verdampfen des Lösungsmittels bildet der Halbleiter Kristalle. Die Größe und Form dieser Kristalle bestimmen das Aussehen und die Qualität der Funktions­schicht. „Die optimale Kristallgröße und -form ist stark anwendungs­abhängig“, sagt Jasper J. Michels, Hauptautor der Studie und Gruppenleiter im Arbeitskreis von Paul Blom am MPI-P. Ein großes Problem ist, dass es bisher nicht möglich war, vorherzusagen, wie die Kristallisation von den Eigenschaften der Druckfarbe und des Beschichtungs­prozesses abhängt. Daher ist es in der Regel zeit­aufwändig, material­intensiv und teuer, eine Herstellungs­strategie zu finden, die die bestmögliche Produktleistung ergibt. „Nicht in der Lage zu sein, die Eignung der beschichteten Schichten vorherzusagen, verhindert die Übertragung der Herstellung im Labor­maßstab auf die industrielle Produktion und hindert die Verbreitung neuer Anwendungen für die organische Elektronik“, erklärt Michels.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Michels hat jetzt ein Computermodell entwickelt, das solche Vorhersagen machen kann. Die Berechnungen ahmen die tatsächliche Beschichtung und Kristallisation nach, da sie in Echtzeit erfolgt. Indem sie die Beschichtungs­geschwindigkeit in ihren Computersimulationen erhöhten, zeigten die Autoren, wie die Form der Kristalle einen Übergang von Bändern über längliche Ellipsoide zu kleinen Polygonen zeigt. Die Simulationen zeigten, dass es stark davon abhängt, wie schnell das Lösungs­mittel verdunstet, ob diese Formübergänge plötzlich oder allmählich erfolgen. „Wenn wir jetzt wissen, welche Rolle Kristall-Kristall-Grenzflächen während der Operation spielen, kann unser neues Modell die Material- und Prozess­einstellungen vorberechnen, um einen optimalen Kompromiss etwa zwischen Produktions­geschwindigkeit und Film­qualität zu erreichen“, erklärt Michels. „Wir hoffen daher, dass unsere Arbeit ein wichtiger Schritt ist, um schließlich neue Produkte auf der Basis organischer Halbleiter verfügbar zu machen.“

MPI-P / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. J. Michels et al.: Predictive modelling of structure formation in semiconductor films produced by meniscus-guided coating, Nat. Mater., online 10. August 2020; DOI: 10.1038/s41563-020-0760-2
• Electronic Soft Matter (J. J. Michels), Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz