Physik des Alltags: Lichtquellen und Leuchtdioden · 1.4 eV 2.2 eV N N O O O O OTPD 5.1 eV N O N N n H C 3 H C 3 C H 3 N N N Ir Einbau von Blockaden für Löcher und Elektronen: alleLadungen

Frank Jaiser

Physik weicher Materie

Institut für Physik und Astronomie

Universität Potsdam

Potsdam-Golm

Physik des Alltags:Lichtquellen und Leuchtdioden

2https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg (angepasst) • http://www.planet-wissen.de/natur_technik/weltall/sonne/img/intro_soho_g.jpg

Die Sonne:Das Maß aller Dinge

UV IR

idealer Schwarzer Körper

(Temperatur 5900 K)

extraterrestrische Sonnenstrahlung

(Luftmasse AM0)

terrestrische Sonnenstrahlung

(Luftmasse AM1,5)

500

1000

1500

2000

2500

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Wellenlänge / nm

sichtbarerBereich

3https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg (angepasst)

sichtbares Licht

500

1000

1500

400 500 600 700

Str

ah

lun

gsin

ten

sität

/ W

/m²µ

m

Wellenlänge / nm

Sonnenlicht ist fast ideal weiß:im gesamten sichtbaren Spektralbereich fast konstante Strahlungsintensitätsdichte

Künstliche Lichtquellen sollten dem so nahe wie möglich kommen Farbtemperatur Farbwiedergabeindex

4http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIE-Normfarbtafel.png

Farbtemperatur

𝑖𝜆 𝜆, 𝑇 = 𝜀2ℎ𝑐2

𝜆51

expℎ𝑐

𝜆𝑘𝐵𝑇− 1

𝑑𝜆

Strahlungsintensität eines schwarzen Strahlers mit Emissionsgrad 𝜀

400 600 800 1000 1200

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Str

ah

lun

gsin

ten

sitä

t [n

orm

.]

Wellenlänge [nm]

2700 K

5000 K

5800 K

Schwarzkörper-Kurve

5H. Haken, H.C. Wolf, Atom- und Quantenphysik, 8. Auflage, Springer 2004

Quecksilber

4,9 eV

Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 5d10 6s2

6http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstofflampe

Leuchtstofflampen

*

*

*

7http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metamerie-Vergleich-Lichtquellen.jpg

Farbwiedergabeindex

Wie gut gibt eine Lichtquelle die Farben eines beleuchteten Objektsim Vergleich zu einem schwarzen Strahler gleicher Farbtemperatur wieder?

Leuchtstofflampe Halogenlampe Foto-Blitzlicht

Glühlampen 100Leuchtstofflampen 50…100

Leuchtdioden 80…95Natriumdampflampen 18…30

Beispiele für 𝑅𝑎 (CRI):

8

Elektrolumineszenz: Licht aus Strom

Schritt 1: Entferne ein Elektron von unterem Elektronenniveau

Schritt 2: Füge Elektron zu oberem Elektronenniveau hinzu

„Loch“

„Anregung“ von Atomen/Molekülen durch Austausch von Elektronen

Schritt 3: Elektron und Loch rekombinieren,dabei wird Energiedifferenz als Photon abgegeben

9

Vom Atom zum Festkörper

Coulombpotential eines einzelnen Atoms

dichte Packung im Festkörperführt zum Überlapp derPotentiale

10H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, 7. Auflage, Springer 2009

Dispersionsrelation – freies Elektron

Dispersionsparabelan jedem Gitterplatz

Reduktion auf Brillouinzone(Einheitszelle):keine Lücken in 𝐸(𝑘)Abb.: kubisches Gitter

11H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, 7. Auflage, Springer 2009

Dispersionsrelation – periodisches Potential

Streuung / Reflexion der Elektronenwellen an periodischem Potential einzelne Wellenlängen (𝑘) werden

ausgelöscht „Lücken“ in 𝐸(𝑘)Größe der Lücken steigt mit Amplitude des periodischen Potentials

12

„Bandstruktur“

Einfaches Bändermodell:• vernachlässige 𝑘-Achse• fülle Bänder von unten nach oben

mit verfügbaren Elektronen

Halbleiter, wenn letztes gefülltes Bandkomplett gefüllt

„Valenzband“

„Leitungsband“

13Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen

Elektrolumineszenz in Halbleitern

LB

VB



LB

VB



LB

VB



LB

VB



LB

VB



LB

VB



LB

VB

20S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley 1981

Direkte und indirekte Halbleiter

Germanium Silizium Gallium-Arsenid

21de.wikipedia.org/wiki/III-V-Verbindungshalbleiter • experimentalchemie.de

Bandlücken verschiedener Halbleiter

III-V-Halbleiter (LEDs):AlGaAsGaPGaN

CIGS-Solarzellen:Cu(In,Ga)x(S,Se)y

22https://de.wikipedia.org/wiki/Wurtzit

KristallstrukturenDiamant-Gitter:zwei kubisch flächenzentrierte Gitter,um (¼, ¼, ¼) versetztGaAs = Zinkblende-Gitter:die beiden kfz-Untergitter sind mit verschiedenen Atomen besetzt

GaN = Wurzit-Gitter:hexagonal dichteste Kugelpackung, Tetraederlücken zur Hälfte durch zweites Element besetzt

23A. Laubsch et al., Physik Journal 9, 23 (2010)

Effizienzen und Schichtaufbau

AlInGaP: rot → grünAlInGaN: blau → grün

24

https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode • http://www.jands.com.au/support/product-support/lighting-technical-materials/what-to-look-for-when-judging-an-led-fixture146s-colour-mixing-capabilities133 • A. Laubsch et al., Physik Journal 9, 23 (2010)

Weiße LEDs

durchstimmbarkein guter 𝑅𝑎

feste Farbzusammensetzungje „wärmer“, desto ineffizienter

25http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/

Physik-Nobelpreis 2014

“for the invention of efficient blue light-emitting diodeswhich has enabled bright and energy-saving white light sources”

Isamu AkasakiUniversität Nagoya

* 1929

Hiroshi AmanoUniversität Nagoya

* 1960

Shuji Nakamura Nichia Chemical Corp.

* 1954

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2000/

Chemie-Nobelpreis 2000

“for the discovery and development of conductive polymers”

Alan J. HeegerUniversity of California

* 1936

Alan G. MacDiarmid University of Pennsylvania

* 1927† 2007

Hideki Shirakawa University of Tsukuba* 1936

26

27http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_01.html

Doppelbindung: Ethen

σ-Bindung der Kohlenstoff-sp2-Hybridorbitale entlang der Bindungsachse „Geometrie“π-Bindung durch Überlapp der verbleibenden p-Orbitale „elektronische Eigenschaften“

1 Atom1 AO

2 Atome2 MO

N Atome MON

(Oligomere)

Polymer2 “Bänder”

(unendlich viele Atome)

E

28

Konjugierte Systeme

E

g(E)

Polymer(ungeordnet)

„Bandlücke“

freie Zustände„Leitungsband“

besetzte Zustände„Valenzband“

29J.H. Burroughes et al., Nature 347, 539 (1990) • http://www.phy.cam.ac.uk/directory/friendr

Erste Polymer-LED

Prof. Richard Friend

Glas

10

0 n

m

ITO

Ca

n

Polymer-LED

30S. Bange, Transient Optical and Electrical Effects in Polymeric Semiconductors (Dissertation, 2009)

Weiße Polymer-LED

Polyfluoren-basiertes Copolymer

Merck KGaA, Germany

RO

RO

OR

OR

q

B (11%)

R R

NN

R R RR SS

RO

OR

N NS

SS

n

m

BB (78.91%)

HT (10%)

o

p

G (0.05%)

R (0.04%)

31

Der Elektronenspin in der Elektrolumineszenz

Fluoreszenzerlaubt

Phosphoreszenzerfordert spin-flip

Ausgangszustand

Molekülorbitale

32S. Lamansky et al., J. Am. Chem. Soc. 123, 4304, 2001

phosphoreszente organische LEDs

CH3

CH3

CH3

N

N

N

Ir

F

O

F

F

N

N

Ir

NF

O

S

N

Ir

S N

CH3

CH3

O

O

Ir(btp)2(acac) FIrPic

• nutze „Schweratomeffekt“: hohe Kernladungszahl induziert Spin-Bahn-Kopplung

• Absorption: Ligand π-π*, 1MLCT and 3MLCT• Lumineszenz: Ligand π-π*, MLCT• externer Schweratomeffekt: Iridium beeinflusst Liganden

Ir(mppy)3

400 450 500 550 600 650 700 7500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Str

ah

lun

gsin

ten

sitä

t /

w.E

.

Wellenlänge / nm

FIrPic

Ir(mppy)3

Ir(btp)2(acac)

33X.H. Yang, D.C. Müller, D. Neher & K. Meerholz, "Highly efficient polymeric electrophosphorescent diodes", Advanced Materials 18, 948-954 (2006)

Komplexer Schichtaufbau

N N

O

O

O

O

O O

PVK LUMO

Ir(ppy)3HOMO

PVK HOMO

PBD LUMO Ir(ppy)3LUMOPEDOT

anode

5.8 eV

----

5.4 eV

MUPD

1.4 eV

2.2 eV

N N

O

O

O

O

OTPD

5.1 eV

N

O

N

N

n

CH3

CH3

CH3

N

N

N

Ir

N N

O

O

O

O

O O

PVK LUMO

Ir(ppy)3HOMO

PVK HOMO

PBD LUMO Ir(ppy)3LUMOPEDOT

anode

5.8 eV

----

5.4 eV

MUPD

1.4 eV

2.2 eV

N N

O

O

O

O

OTPD

5.1 eV

N

O

N

N

n

CH3

CH3

CH3

N

N

N

Ir

Einbau von Blockaden für Löcher und Elektronen: alle Ladungen rekombinieren

• Physikalische Konzepte der Photovoltaik

• Die Physik der Silizium-Solarzelle

• Organische Halbleiter / Organische Solarzellen

• Organische Halbleiter / Organische Leuchtdioden

• Der Nobelpreis für Physik 2014

34

Themen für Hausarbeiten

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Physik des Alltags: Lichtquellen und Leuchtdioden · 1.4 eV 2.2 eV N N O O O O OTPD 5.1 eV N O N N n H C 3 H C 3 C H 3 N N N Ir Einbau von Blockaden für Löcher und Elektronen: alleLadungen