12:55 04 Dezember 2020
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    Eine einzigartige Methode zum virtuellen Projizieren von organischen Leuchtdioden haben Forscher der russischen Nationalen Nuklearen Forschungsuniversität MEPhI entwickelt.

    Den Forschern zufolge ermöglicht diese Technologie, der Erfindungen im Bereich der Quantenchemie zugrunde liegen, eine viel schnellere Herstellung und Vermarktung von OLED-Anlagen (Displays und Lichtquellen). Die Forschungsergebnisse wurden im Fachmagazin „The Journal of Physical Chemistry A“ veröffentlicht.

    Organische Leuchtdioden (OLED) sind eine aussichtsreiche Richtung der Halbleiter-Nanoelektronik und können kompakte preisgünstige und hocheffiziente Lichtquellen sowie Display-Pixel sichern.

    Den MEPhI-Experten zufolge wird die von ihnen auf Basis von quantenchemischen Berechnungen entwickelte Methode zur Auswahl von strahlerzeugenden Molekülen es ermöglichen, die Produktion von diversen OLED dritter Generation um das Zig-fache zu beschleunigen, wobei diese Arbeit jetzt durch Computer-Modellieren erfolgen könnte.

    „Wir haben uns die Prinzipien des molekularen Designs der Strahlerzeuger anders überlegt, das 2CzPN-Molekül (Bis-Carbazolil-Phthalonitril), des aktuellen ‚Champions‘ nach der Effizienz, analysiert. Indem wir in verschiedene Richtungen gerichtete Prozesse, die für dieses Molekül und für andere organische Halbleiter typisch sind, erforschten, fanden wir zwei wichtigste Momente ihrer Konstruktion heraus, die zum effizienten Leuchten beitragen“, erläuterte die Assistentin Alexandre Freidson des Lehrstuhls für Physik kondensierter Umgebung des Instituts für Nanotechnologien in der Elektronik bei der MEPhI gegenüber RIA Novosti.

    OLED leuchten dank der Rekombination, also dank Kollisionen von Trägern entgegengesetzter Ladungen (von Elektronen und so genannten „Löchern“, bei denen es sich um Moleküle oder Atome handelt, die keine Elektronen haben).

    Die Quanteneffizienz der ersten OLED-Generation betrug höchstens 25 Prozent. Zum Vergleich: Bei der dritten Generation, an der die Forscher gerade arbeiten, erreicht der Anteil der Zahl der Elektronen-„Löcher“ schon 100 Prozent. Das wurde dank der Verwendung eines von den Prozessen innerhalb der Moleküle möglich: der thermisch aktivierten verzögerten Fluoreszenz (Thermally activated delayed fluorescence, TADF).

    Früher hatte gegolten, dass ein effizienter TADF-Strahler aus zwei Teilen bestünde, deren Zusammenwirken minimal sein sollte. Aber den MEPhI-Forschern zufolge haben sie dann noch eine ganze Reihe von Eigenschaften entdeckt, die der jeweilige Stoff haben sollte, damit seine Strahlung mit strahlungslosen Prozessen konkurrieren könnte.

    „Nur uns ist es gelungen, die quantenchemische Methode anzuwenden, die die Levels der molekularen Energie hochpräzise bestimmt“, so die Expertin Freidson weiter. „Das ist in der TADF-Theorie enorm wichtig, da selbst kleinste Fehler bei der Bestimmung der Level das ganze Bild qualitativ verändern. Mehr noch: Wir konnten alle Prozesse, die zur TADF führen und mit ihr konkurrieren, zusammenbringen und ihre Geschwindigkeiten im Rahmen eines einheitlichen Modells bewerten, ohne sie zusätzlich anzunähern.“

    Dank dem Computer-Screening mit klaren Auswahlkriterien könnte der Umfang der experimentellen Arbeit wesentlich reduziert werden, so dass neue hocheffiziente Leuchtdioden dritter Generation möglichst schnell entwickelt und auf den Markt gebracht werden, erläuterte man bei der MEPhI.

    Die angewandte quantenchemische Methode verlangt komplizierte Berechnungen, aber laut den Experten ermöglichen diese Angaben es auch, die Qualität von einfacheren und billigeren Methoden zur Erforschung von organischen Halbleitern zu kalibrieren und zu erhöhen.

    Diese Arbeit wurde in Kooperation mit dem Zentrum für Photochemie der Russischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen des Zuschusses des Russischen Forschungsfonds Nr. 19-13-00383 ausgeführt. Aktuell beschäftigt sich das Kollektiv mit der Erarbeitung von KI-Elementen, die bei der Bearbeitung von Datenmassen für ein effizienteres Screening helfen sollen.

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    Tags:
    Physik, Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi)