11/08/2020
Door Ad Spijkers
Halfgeleiders van organische materialen, bijvoorbeeld voor OLED's en zonnecellen, zouden in de toekomst op silicium gebaseerde elektronica kunnen vervangen of aanvullen.
De efficiëntie van componenten van organische materialen hangt in grote mate af van de kwaliteit van de dunne halfgeleiderlagen. Deze worden gemaakt door coating of bedrukking met 'inkten' die het materiaal bevatten. Onderzoekers van het Max Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hebben een computermodel ontwikkeld dat de kwaliteit voorspelt afhankelijk van de verwerking, zoals de droogtijd of de coatingsnelheid. Het model moet de aanpak van proces- en productoptimalisatie versnellen.
Organische halfgeleiders
Organische halfgeleiders worden gebruikt voor verschillende elektronische componenten zoals LED's, zonnecellen en transistors. Sommige toepassingen zijn al wijdverspreid (vooral OLED's), andere moeten nog aanzienlijk worden verbeterd voordat ze op de markt kunnen worden gebracht.
Dergelijke componenten zijn afhankelijk van het transport van elektronen door de organische halfgeleider. In OLED's worden de elektronen bijvoorbeeld door een elektrische spanning van energie voorzien, die ze vervolgens weer in de vorm van licht kunnen uitzenden. Maar als de kwaliteit van de organische laag slecht is, wordt een groot deel van de energie teruggevoerd naar het materiaal zonder licht uit te stralen.
Een aantrekkelijke methode voor het vervaardigen van de halfgeleiderlagen is het bedrukken of coaten met een inkt die de organische halfgeleider in een oplosmiddel bevat. Wanneer het oplosmiddel verdampt, vormt de halfgeleider kristallen. De grootte en vorm van deze kristallen bepalen het uiterlijk en de kwaliteit van de functionele laag. De optimale grootte en vorm van het kristal is sterk afhankelijk van de toepassing.
Kristallisatie
Voorheen was het niet mogelijk te voorspellen hoe de kristallisatie zal afhangen van de eigenschappen van de drukinkt en het coatingproces. Daarom is het meestal tijdrovend, materiaalintensief en duur om een fabricagestrategie te vinden die resulteert in de best mogelijke productprestaties. Deze onvoorspelbaarheid verhindert de stap van laboratorium naar industriële productie en voorkomt nieuwe toepassingen voor organische elektronica.
Een team wetenschappers aan het MPI-P heeft een computermodel ontwikkeld dat dergelijke voorspellingen kan doen. De berekeningen bootsen de feitelijke coating en kristallisatie na zoals deze in real-time plaatsvindt. Door in de computersimulaties de coatingsnelheid te verhogen, lieten de onderzoekers zien hoe de vorm van de kristallen een overgang laat zien van linten via langwerpige ellipsoïden naar kleine polygonen.
De simulaties lieten zien dat het voor een groot deel afhangt van hoe snel het oplosmiddel verdampt of deze vormovergangen plotseling of geleidelijk plaatsvinden. Als bekend is welke rol kristal-kristalinterfaces spelen tijdens de operatie, kan het nieuwe model de materiaal- en procesinstellingen vooraf berekenen om een optimaal compromis te bereiken tussen bijvoorbeeld productiesnelheid en filmkwaliteit.
Foto: MPI-P