Simulation of charge transport in amorphous organic semiconductors

Viele Anwendungen der organischen Elektronik wie beispielsweise organische Leuchtdioden (OLEDs) oder organische Photovoltaik (OPV) basieren auf amorphen halbleitenden Molekülen. Die fast unendlichen Variationsmöglichkeiten organischer Materialien erschweren gezielte experimentelle Materialentwicklung. Bestehende Theorien für den Ladungstransport in amorphen Materialien basieren weitgehend auf empirischen Materialparametern und können so nicht zur prädiktiven Vorhersage von Eigenschaften neuer Materialien benutzt werden. In dieser Arbeit werden Modelle entwickelt, die dem Zweck dienen, den Zusammenhang zwischen mikroskopischen Moleküleigenschaften und deren makroskopischer Leitfähigkeit zu verstehen und somit die Ladungsträgermobilität neuer Materialien vorauszusagen.
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Zwei Aspekte stellen bei der Entwicklung von Modellen für den Ladungstransport in amorphen Materialien besondere Herausforderungen dar. Zum einen müssen Effekte auf vielen Größenskalen berücksichtigt werden, die von der elektronischen Struktur einzelner Moleküle in Subnanometerbereich bis hin zu Perkolationseffekten im Mikrometermaßstab reichen. Zum anderen hängt die Ladungsträgermobilität exponentiell von der Energieunordnung im amorphen Material ab. Diese wird von der Konformation einzelner Moleküle sowie von deren Wechselwirkung mit ihrer ungeordneten Umgebung bestimmt.
Um die Effekte auf allen Größenskalen zu berücksichtigen, wird in dieser Arbeit ein Multiskalenmodell zur Simulation von Ladungstransport in organischen Halbleitern vorgestellt. Die Energieunordnung atomar aufgelöster Morphologien wird mithilfe der Quantum Patch Methode bestimmt, die die elektronische Struktur amorpher Moleküle selbstkonsistent bestimmt. Die mit diesem Modell berechnete Ladungsträgermobilität zeigt gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten. Darüber hinaus erlaubt das Modell eine Zerlegung der Ladungsträgermobilität in Faktoren, die von einzelnen Moleküleigenschaften abhängen. Dies ermöglicht die Ableitung von Designkriterien für neue organische Moleküle. Mithilfe dieser Kriterien wurde die Elektronenmobilität eines bekannten Materials durch Änderung der chemischen Struktur gezielt erhöht. Bei dieser Modifikation wurden die Energielevels bewusst konstant gehalten, um optische Eigenschaften nicht zu verändern. Das somit gewonnene Material wurde synthetisiert und elektronisch charakterisiert. In Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen zeigt das Material eine um drei Größenordnungen erhöhte Elektronenmobilität. Dieses Beispiel demonstriert die Durchführbarkeit von in-silico Materialentwicklung.

Amorphous organic semiconductors are used in many applications such as organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). The almost unlimited variety of chemical compounds and material combinations makes experimental material and device improvement difficult. Theories describing the mechanism of charge transport in amorphous materials exist. Most of them rely on empiric material parameters, therefore rendering the prediction of charge mobility of unknown materials impossible. Thus, new models are required to understand relations between molecular structure and macroscopic thin film properties. ... mehrThe insight gained in such methods can then be used to systematically design materials with desired properties.
The challenge in modeling charge transport in amorphous materials is twofold. Models must incorporate effects on vastly different length scales ranging from the electronic structure of single molecules in the sub-nanometer scale to percolation effects on distances up to the micrometer scale. Charge mobility and energy dissipation during transport depend exponentially on the energy disorder in amorphous systems. This quantity arises from single molecule conformation and intermolecular interaction.
Simulation of charge transport in disordered materials requires the analysis of the electronic structure of atomistic molecular systems. In this work, a multiscale modeling approach is developed and used to describe charge transport in amorphous organic semiconductors. The model incorporates different established and newly developed simulation techniques on various levels of coarse graining. Comparison of the simulated charge mobility of nine widely used organic materials with experimental data shows the predictive capabilities of the model. Factorization of the charge carrier mobility allows the identification of single-molecule properties, which mainly determine charge mobility. Using design rules derived from this analysis, the widely used electron conducting molecule Alq 3 is systematically modified to maximize its electron mobility while preserving the energy levels to keep its optical properties stable. The most promising candidate of these simulations has been synthesized and characterized. The new compound aligns with the theoretical prediction and exhibits an electron mobility which is three orders of magnitude higher than the mobility of the initial material. This example is a proof of principle of rational in-silico material design.