Organische LEDs. - Die Lichtquelle der Zukunft? - Simone Hofmann Dresden, DPG LT 3.2

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1 Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften -Fachrichtung Physik Institut für Angewandte Physik / Photophysik Organische LEDs Simone Hofmann Dresden, DPG LT 3.2

2 Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) gegründet 1908 bis 1990: hauptsächlich Photographie ca. 130 Wissenschaftler Heutige Themen: OLEDs (organic light-emitting diode) Organische Solarzellen New Devices (organische Transistoren, Speicher, ) Organische Laser Elektroden und Verkapselung Rastersondenmikroskopie Vortrag auf TU Dresden, DPG Lehrertage 2 / 49

3 Organische Elektronik in Dresden Netzwerk an Forschung/Entwicklung und Industrie VON ARDENNE TU Dresden, DPG Lehrertage 3 / 49

4 Was kann man mit OLEDs alles machen? Beleuchtung für Haushalt, Arbeitsplatz, Auto, Schilder, Displays TV, Smartphones, Großleinwände Head-up Displays, Audi Novaled Philips LG Fraunhofer IPMS Philips Mitsubishi Electric TU Dresden, DPG Lehrertage 4 / 49

5 Welche Eigenschaften haben OLEDs? Holst Centre Philips Flächenstrahler gleichmäßige Lichtabgabe in alle Betrachtungsrichtungen hohe Farbwiedergabe transparent flexibel dimmbar Freiheit in Form und Farbe OSRAM Novaled IAPP TU Dresden, DPG Lehrertage 5 / 49

6 Kann man OLEDs bereits kaufen? Philips Samsung Galaxy I-IV ab 50 Reichelt/Conrad OSRAM ORBEOS Samsung TV 8 cm TU Dresden, DPG Lehrertage 6 / 49

7 Zukunftsmusik?! OSRAM TU Dresden, DPG Lehrertage 7 / 49

8 Zukunftsmusik?! TU Dresden, DPG Lehrertage 8 / 49

9 Inhalt 1. Einführung 1.1 Organische Halbleiter (Chemie) 1.2 Herstellung 1.3 Funktionsprinzip 2. Effizienz (Physik) 2.1 pin OLED 2.2 Exzitonen 2.3 Lichtauskopplung 2.4 Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen 3. Aktuelle Forschung TU Dresden, DPG Lehrertage 9 / 49

10 1. Einführung OLED = organische LED bekannt aus Anorganik: LED = Licht-emittierende Diode = pn Übergang mit Bandlücke im sichtbaren Wellenlängenbereich ( nm) Elektronen Rekombination erzeugt Photonen Löcher TU Dresden, DPG Lehrertage 10 / 49

11 1.1 Organische Halbleiter Was bedeutet jetzt organisch? Keine Tierversuche! Hier: organisch, weil Materialien u.a. auf Kohlenstoff basieren TU Dresden, DPG Lehrertage 11 / 49

12 1.1 Organische Halbleiter Organisch -Kohlenstoff Halbleiter? Organische Halbleiter besitzen ein delokalisiertes System. Vor.: Doppelbindungen sind durch genau eine Einfachbindung getrennt Beispiel: Benzen TU Dresden, DPG Lehrertage 12 / 49

13 1.1 Organische Halbleiter Organische Halbleiter - delokalisiertes System Beispiel: Benzen σ* π* 6 x p z 6 x 3 sp 2 π Energie σ TU Dresden, DPG Lehrertage 13 / 49

14 1.1 Organische Halbleiter Organische Halbleiter - delokalisiertes System LUMO = niedrigstes unbesetztes Orbital (lowest unoccupied molecular orbital) Analogon: klassischer Halbleiter Energielücke HOMO = höchstes besetztes Orbital (highest occupied molecular orbital) π* π Leitungsband Valenzband Energie TU Dresden, DPG Lehrertage 14 / 49

15 1.1 Organische Halbleiter Energielücke im sichtbaren Wellenlängenbereich durch Veränderung der Molekülstruktur nahezu unbegrenzter Pool an organischen halbleitenden Materialien weitere Beispiele: O F F N N F O Hertel et al., Chemie unserer Zeit 39, 336 (2005) N F F F N O N N O TU Dresden, DPG Lehrertage 15 / 49

16 1.1 Organische Halbleiter Klassen organischer Halbleiter: Polymere kleine Moleküle (Oligomere) N N F F F F F F N N N N S S S S S N N O O lange Molekülketten O ca C Atome O TU Dresden, DPG Lehrertage 16 / 49

17 1.1 Organische Halbleiter Klassen organischer Halbleiter: Polymere kleine Moleküle (Oligomere) TU Dresden, DPG Lehrertage 17 / 49

18 1.1 Organische Halbleiter Folie/Farbe leitet doch überhaupt keinen Strom! Rechenbeispiel: Doch! Sie müssen nur ganz dünn sein. Geg.: Spannung U = 3 V Stromdichte j = 10 ma/cm² Leitfähigkeit σ = 10-8 S/cm Ges.: Schichtdicke d Organik d Lös.: j 3 10 / 10 /² 3 10 / 10 / TU Dresden, DPG Lehrertage 18 / 49

19 1.2 Herstellung kleine Moleküle dünne Schichten - Verdampfen im Ultrahochvakuum TU Dresden, DPG Lehrertage 19 / 49

20 1.2 Herstellung kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Vakuumkammer Substrat Glas Quarzsensor Probenhalter mit Substrat ITO Indiumzinnoxid (engl.: indium tin oxide) = transparente leitfähige Elektrode Tiegel mit Heizung TU Dresden, DPG Lehrertage 20 / 49

21 1.2 Herstellung kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Vakuumkammer Probenhalter mit Substrat Glas ITO Organik Quarzsensor Tiegel mit Heizung TU Dresden, DPG Lehrertage 21 / 49

22 1.2 Herstellung kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Vakuumkammer Probenhalter mit Substrat Glas ITO Organik Quarzsensor Tiegel mit Heizung TU Dresden, DPG Lehrertage 22 / 49

23 1.2 Herstellung kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Quarzsensor Vakuumkammer Probenhalter mit Substrat Glas ITO Organik Metall Metallschiffchen mit Heizung TU Dresden, DPG Lehrertage 23 / 49

24 1.2 Herstellung kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Kapselglas Metall Organik ~ 100 nm ~ 100 nm N2 2 mm ITO ~ 100 nm Glas 1 mm 100 nm = 1/1000 der Dicke eines Haares TU Dresden, DPG Lehrertage 24 / 49

25 1.2 Herstellung kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Metall Organik ITO Glas Kapselglas N2 Wikipedia TU Dresden, DPG Lehrertage 25 / 49

26 1.3 Funktionsprinzip kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Kapselglas Metall Organik N2 ITO Glas TU Dresden, DPG Lehrertage 26 / 49

27 1.3 Funktionsprinzip kleine Moleküle Verdampfen im Ultrahochvakuum Kapselglas Metall Organik N2 ITO Glas Licht TU Dresden, DPG Lehrertage 27 / 49

28 1.3 Funktionsprinzip 1987 Kodak: Tang und VanSlyke erste OLED (grün): Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987) TU Dresden, DPG Lehrertage 28 / 49

29 1.3 Funktionsprinzip Funktion: x E vac Ladungsträgerinjektion Energie LUMO HOMO Anode Diamin Alq 3 Kathode Transport Emission Ladungsträgertransport zur Grenzschicht, Stau an Ladungsträgern Ladungsträger rekombinieren = Bildung Exziton strahlender Zerfall = Lichtemission Lichtauskopplung x TU Dresden, DPG Lehrertage 29 / 49

30 Zusammenfassung OLED, Aufbau, Herstellung Organische Halbleiter = Verbindung aus Kohlenwasserstoffen mit einer Bandlücke im optischen Spektralbereich (Vor.: delokalisiertes -Elektronensystem) OLED = Stapel aus dünnen organischen Schichten zwischen zwei Elektroden Dünne Schichten durch Verdampfen der Materialen im Ultrahochvakuum TU Dresden, DPG Lehrertage 30 / 49

31 2. Effizienz Leistungseffizienz [lm/w]: optische Leistung/elektrische Leistung (Lichtausbeute bei Beleuchtung) Externe Quanteneffizienz [%]: ausgekoppelte Photonen! injizierte Elektronen " LE Φ Φ EQE! " LE ~ 1 Lichtstrom Φ Spannung Leitfähigkeit Leistung Strom TU Dresden, DPG Lehrertage 31 / 49

32 2.1 pin-oled Dotierung Einbringen von Fremdmolekülen Matrix M Matrix M Matrix M Akzeptor Matrix M A Matrix M Matrix M p-dotierung TU Dresden, DPG Lehrertage 32 / 49

33 2.1 pin-oled Dotierung Einbringen von Fremdmolekülen p-dotierung Energie M M A M LUMO HOMO TU Dresden, DPG Lehrertage 33 / 49

34 2.1 pin-oled Dotierung Einbringen von Fremdmolekülen Energie M M A M LUMO HOMO Erhöhung der Leitfähigkeit B. Männig et al., Phys. Rev. B 64, (2001) TU Dresden, DPG Lehrertage 34 / 49

35 2.1 pin-oled IAPP: erste pin-oled mit dotierten Transportschichten (2002) pin-oled n i OLED ohne dotierte Transportschichten p Mehrschicht OLEDs Betriebsspannung < 3V aber: externe Quanteneffizienz < 5% J. Huang et al., Appl.Phys.Lett. 80, 139 (2002) TU Dresden, DPG Lehrertage 35 / 49

36 2. Effizienz Leistungseffizienz [lm/w]: optische Leistung/elektrische Leistung (Lichtausbeute bei Beleuchtung) Externe Quanteneffizienz [%]: ausgekoppelte Photonen! injizierte Elektronen " LE Φ Φ EQE! " LE ~ 1 EQE % ST out Lichtstrom Φ Spannung Leitfähigkeit Leistung Strom Ladungsbalance % Exzitonenspinfaktor ST Auskopplungseffizienz out TU Dresden, DPG Lehrertage 36 / 49

37 2. Effizienz γ: Externe Quanteneffizienz [%]: ausgekoppelte Photonen! injizierte Elektronen " ST : out : EQE! " EQE % ST out Ladungsbalance % Exzitonenspinfaktor ST Auskopplungseffizienz out TU Dresden, DPG Lehrertage 37 / 49

38 2. Effizienz EQE % ST out pin-oled: E vac % 1 p i n LUMO HOMO Anode Emission Lochtransporter Elektronenblocker Löcherblocker Elektronentransporter Kathode TU Dresden, DPG Lehrertage 38 / 49

39 2.2 Exzitonen EQE % ST out Elektron und Loch Exziton = gebundenes Elektronen-Loch Paar (engl.: exciton von excitation, Anregung) = ein Quasiteilchen im angeregten Zustand Singulett Triplett Spin anti-parallel parallel Lebensdauer ns (kurz) µs - ms (lang) Emission Fluoreszenz Phosphorezenz Energie LUMO HOMO Emissionsschicht OLED: ¼ Singuletts und ¾ Tripletts (Spinstatistik) fluoreszente Emitter: (z.b. Alq 3 ) ST 0,25 TU Dresden, DPG Lehrertage 39 / 49

40 2.2 Exzitonen EQE % ST out Elektron und Loch Exziton = gebundenes Elektronen-Loch Paar (engl.: exciton von excitation, Anregung) = ein Quasiteilchen im angeregten Zustand Singulett Triplett Spin anti-parallel parallel Lebensdauer ns (kurz) µs - ms (lang) Emission Fluoreszenz Phosphorezenz Energie LUMO HOMO Emissionsschicht OLED: ¼ Singuletts und ¾ Tripletts (Spinstatistik) ST 1 phosphoreszente Emitter: (1998) intersystem crossing Baldo et al., Nature 395, 151 (1998) TU Dresden, DPG Lehrertage 40 / 49

41 2.3 Lichtauskopplung EQE % ST out 20% 1 1 0,2 Durch interne Totalreflexion bleiben ca. 80% des erzeugten Lichtes in der OLED Struktur gefangen! out 0,2 Metall Oberflächenplasmonen Organik (n=1,7-2,1) ITO (n=1,8-2,0) Substrat (Glas n=1,5) Wellenleitermoden Substratmoden Luft (n=1,0) Ausgekoppelte Moden TU Dresden, DPG Lehrertage 41 / 49

42 2.3 Lichtauskopplung Lösung(en): Methode Glashalbkugel + hochbrechendes Glas + weite Entfernung zum Metallkontakt adressierte Moden Substratmoden Wellenleitermoden Oberflächenplasmonen TU Dresden, DPG Lehrertage 42 / 49

43 2.3 Lichtauskopplung pin-konzept Weltrekord IAPP 2009: Weiße OLEDs >100 lm/w (> 40%) + phosphoreszente Emitter + Auskopplung Reineke et al., Nature 459, 234 (2009) TU Dresden, DPG Lehrertage 43 / 49

44 2.3 Lichtauskopplung Weißlichterzeugung Emission der Emittermoleküle Norm. Intensität 1,2 Ir(ppy) 3 Ir(MDQ) 2 (acac) 4P-NPD Ir(dhfpy) 1,0 2 (acac) 0,8 0,6 0,4 0,2 weiß = Kombination von meist 3 Emittern z.b.: (rot grün blau) 0, Wellenlänge / nm TU Dresden, DPG Lehrertage 44 / 49

45 2.4 Effizienz und Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen - Weiße Lampen Glühlampe Halogenlampe Fluoreszenzlampe/-röhre LED OLED LE 15 lm/w 20 lm/w lm/w lm/w (276 lm/w*) lm/w (150 lm/w*) EQE 5% 8% 25% 30% (80%*) 15% (50%*) t 10 3 h h h h h + Helligkeit flexibel, transparent - verboten Effizienz Quecksilber (Vorwärtsstrahlung) (Lebensdauer, Kosten) Quellen: Wikipedia, R. Steele et al., Nature Photonics 1, 25 (2007), * Labor TU Dresden, DPG Lehrertage 45 / 49

46 Zusammenfassung Effizienz von OLEDs Schlüsseltechnologie Dotierung: pin-oled: LE % 1 EQE Phosphoreszente Emitter ST 1 EQE Lichtauskopplung durch Halbkugel und hochbrechendes Glas out 1 0,2 EQE Weiße OLEDs erreichen ähnliche Effizienzen wie heutige LEDs und Leuchtstoffröhren. TU Dresden, DPG Lehrertage 46 / 49

47 3. Aktuelle Forschung Auskopplung / optische Simulation Periodische Gitter Streuschichten Intrinsik / Verhalten von Exzitonen Verzögerte Fluoreszenz Roll-off Lebensdauer µ-strukturierung AC/DC OLEDs

48 3. Weiße OLEDs durch Wechselstrom Prinzip: DC DC (andere Polung) AC TU Dresden, DPG Lehrertage 48 / 49

49 Fazit: OLEDs und LEDs werden in Zukunft unseren Alltag bestimmen. Videos: best of amazing organic electronics OLED Sendung mit der Maus Homepages: (Vortrag) [Organische Elektronik] (englisch) Offene Fragen: Auch für Schüler: Lange Nacht der Wissenschaften (4.7.14) Technische Sammlungen (Cool X, School_Lab) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! TU Dresden, DPG Lehrertage 49 / 49