Photonische Materialien V10 - tu-chemnitz.de · Helfrich fand 1970 das theoretische Konzept für...

Photonische Materialien10. Vorlesung

• Einführung in quantenmechanische Aspekte und experimentelle Verfahren (1)

•Lumineszenz-Label (1)•Supramolekulare und biologische Systeme (1)•Halbleiter Nanopartikel (2)•Quanten-Well-Strukturen (1) •Metallische Nanopartikel•Solarzellen (1)•Organische Leuchtdioden und Solarzellen (1)•Flüssige Kristalle (1)•Displays (1)•Photonische Kristalle (1)•Optisch aktive Materialien (1).

Organische Halbleiter: Photodioden und Solarzellen

• Organische Materialien als Halbleiter• Organische Solarzellen

– Grätzelzelle– Photochromie– Löcherleitung– Organische Batterie

• Organische Fotodioden (OLEDS)

Wiederholung

Elektron - Lochpaare

Leitfähigkeit

Konjugierte Systeme

PPV

Chelate

Polypyrrole

Aromatische Kohlenwasserstoffe

Konjugierte Polymere

Polypyprol (PPyr)

Polythiophen

Polyacetylen

Schichtstruktur einer organischen Solarzelle. Zn-Phthalocyanin dient als Donator,C60 als Akzeptor. Das transparente ITO (Indium-Zinnoxid) und Aluminium bilden die Elektroden. PEDOT:PSS und Bathocuproine sind Pufferschichten, die die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht und der Elektroden einander anpassen.

Komposite

Querschnitt durch eine organischeSolarzelle. Die idealisierte Skizze zeigt denNanokomposit aus den organischen Halbleitern.

Kathode

Transparente Anode

Akzeptor

Donor

Organische Solarzelle

Herstellungstechniken

• Molecular Beam Epitaxie• Spin Coating• Rakel- (Rasor Blade) Technik (für Polymere)

• Lithographische Strukturierung

Grätzel Zelle

Elektrolumineszenz

• Polymere : Friend 1990 PPV

Interface

OLED - Materialien

• Kleine Moleküle• Elektrolumineszente Polymere• Phosphoreszenz• Patterning

Kleine Moleküle

Al q3

Alq3

Vorteile von OLEDs

· Hohe Helligkeit bei starkem KontrastKeine Hintergrundbeleuchtung

· Keine Blickwinkelabhängigkeit· Videotauglichkeit· Weiter Temperaturbereich· Vollfarbdisplays und flexible Displays möglich· Niedriges Gewicht· Kompakte, extrem dünne Bauweise· Niedrige Herstellkosten

Flüssigkristalline Anzeigen

Temperaturabhängigkeit Farbe

fest flüssig kristallin flüssig

Flüssigkristalle

nematisch

smektisch

Flüssigkristalle

Kolumnar

Flüssigkristalle

• 1888 Cholesterol-Derivat• Mesogene Phase• Thermotrop (1% aller Moleküle)• Anisotropie – Fernordnung• Phasen• Einfluss äußerer elektrischer und

magnetischer Felder

1888 …..

Friedrich Reinitzer

Nobelpreis1991Pierre-Gilles de Gennes (Frankreich, *1932) Theoretische Beschreibung der Ordnungsprozesse von FlüsPolymeren, Magneten und Supraleitern

Helfrich fand 1970 das theoretische Konzept für das erste technisch und kommerziell revolutionäre Flüssigkristall Display.Das Patent wurde vom Münchener Patentamt nicht erteilt,weil die Entdeckung und Entwicklung keine Erfindungshöhe hätte.

Flüssigkristalle• Phasen

– nematisch (Faden)– smektisch (Seife)– kolumnar (Säule)– flüssigkristalline Polymere

• Ordnungszustände• Phasenübergänge• Defekte• Eigenschaften

– mechanische– optische– elektrische

Selbstorganisation

Ordnung in Flüssigkristallen

Ordnungszustände

Translational: Smectic AOrientational: Nematic

Ordnungszustände

Chiral Nematics

Biological Molecules (cholesterol) Left-HandedNot Invariant under Inversions, Reflections

Nematische Flüssigkristalle

snapshot from a molecular dynamicssimulation showing the liquid crystal moleculePCH5 in a nematic phase.

Methyloxybenzylidenbutylanilin (MBBA)

Schmelzpunkt: 22 °CKlärpunkt: 47 °C

Pentylcyanobiphenyl (5CB)

Schmelzpunkt: 23 °CKlärpunkt: 35 °C

„Nematische“ Moleküle

Chiral Nematische Flüssigkristalle

Chiral Nematic Phases

Smektische Flüssigkristalle

Smektisch C

Smektisch A

Smektische Flüssigkristalle

Smektisch

„Smektische“Moleküle

Smektische Phasen

Smektisch Chirale Phasen

Kolumnare Phasen

Cholesterisch

Flüssigkristalline Polymere

Flüssigkristalline Polymere

Polymere

Ordnung

Ordnungsparameter

Temperaturabhängigkeit

Polarisation

Ordnungstensoren

Elastische Eigenschaften

Elastische Eigenschaften

Viskosität

Scherviskosität

Phasenübergänge

Temperaturabhängigkeit Farbe

fest flüssig kristallin flüssig

Dielektrische Eigenschaften

Brechungsindex n

Texturen

Texturen

Punkt Defekte

Defekte

Punkt DefektS= ½ Defekt

Schlieren-Textur