Computational Optimization of Organic Optoelectronic Systems

Organische Halbleiter sind eine vielseitige Gruppe von Materialien mit dem Potenzial, anorganische Halbleiter zu ergänzen, insbesondere in Anwendungen wie OLEDs. Wenn sie zu amorphen Filmen geformt werden, bieten organische Halbleiter mechanische Flexibilität, was die Schaffung neuartiger Formfaktoren für optoelektronische Geräte ermöglicht. Trotz Herausforderungen wie geringer Effizienz und begrenzter Betriebsdauer bei höheren Spannungen herrscht eine starke Zuversicht hinsichtlich ihres Verbesserungspotenzials, angetrieben durch die Vielfältigkeit von chemischen Zusammensetzungen innerhalb dieser Materialklasse.
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Die Entdeckung und Synthese von Materialien mit spezifisch gewünschten Eigenschaften allein durch experimentelle Erfahrung und Trial-and-Error-Ansatz, kann eine anspruchsvolle Aufgabe sein. Um diesen Ansatz zu ergänzen und zu verbessern, ist es unerlässlich, theoretische Modelle in den Entdeckungsprozess zu integrieren. Diese Simulations-Werkzeuge spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der Materialwissenschaft, insbesondere in der Entwicklung von OLEDs. Durch die Kombination experimenteller Erkenntnisse und theoretischer Simulationen können Forscher die Entwicklung von Materialien mit gewünschten Eigenschaften effizienter und effektiver vorantreiben. Simulatons-Tools dieser Art müssen umfangreiche Zeit- und Längenskalen abdecken und erfordern die Integration verschiedener Methoden von der Quantenchemie bis zu mesoskopischen Transportmodellen. Diese Methoden können in Multiskalen Simulationen eingebettet werden, die die Vorhersage von Eigenschaften ermöglichen. In dieser Arbeit habe ich bestehende Methoden in Multiskalen-Simulationen integriert, um computergestützte Untersuchungen zur Ladungsträgermobilität, zur Leuchtdichte-Effizienz während des OLED-Betriebs und zur Untersuchung von -Lebensdauer unter Verwendung der kinetischen Monte-Carlo-Methode durchzuführen. Einer der entwickelten Arbeitsabläufe zielt darauf ab, zu untersuchen, wie Geometrie und elektronische Eigenschaften der verwendeten Moleküle durch strukturelle Dynamik beeinflusst werden. Diese Analyse erweitert einen vorhandenen Mobilitätssimulations-Workflow durch Integration molekularer Dynamik als zusätzliche Dimension. Zusätzlich zu dieser Studie, in der molekulare Eigenschaften in Transporteigenschaften amorphen Strukturen übersetzt werden, wurden umfassende Gerätesimulationen durchgeführt, um den Einfluss von Gerätearchitekturen auf die Leuchtdichte-Effizienz zu bewerten. Das Ziel ist es, Leistungsengpässe systematisch zu identifizieren und Designregeln für Geräte festzulegen, die effizienz mindernde Prozesse reduzieren können. Als abschließender Schritt wurde ein Degradationsmodell implementiert, das in der Lage ist, molekulare Degradation und Verlust der Helligkeit von diversen OLED-Architekturen, unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu simulieren.

Organic semiconductors are a versatile group of materials with potential to augment inorganic semiconductors, especially in applications such as OLEDs. When formed into amorphous films, organic semiconductors offer mechanical flexibility, enabling the creation of novel form factors for optoelectronic devices. Despite facing challenges such as low luminance efficiency and limited operational lifespans at higher voltages, there is strong optimism about their potential for improvement, driven by the diverse range of chemical compositions within this material class.\\
Discovering and synthesizing materials with specific desired properties solely through experimental experience and trial-and-error approaches can be a daunting task. ... mehrTo complement and enhance this approach, it is essential to integrate computational models into the discovery process. These computational tools become increasingly important in material science, particularly in OLED engineering. Through the combination of experimental insights and theoretical simulations, researchers can streamline the design of materials with desired properties in a more efficient and effective manner.\\
Computational tools of this nature must span extensive time and length scales, necessitating the integration of diverse methods ranging from quantum chemistry to mesoscopic transport models. These methods can be embedded within scale-bridging computational workflows that enable property prediction. In this work, I integrated existing methods into multiscale workflows to conduct computational investigations into charge carrier mobility, luminance efficiency during device operation, and accelerated long-term lifetime studies using the kinetic Monte Carlo method.\\
One of the developed workflows aims to investigate how molecular geometry and electronic structure of the employed molecules are influenced by structural dynamics. This analysis expands an existing mobility simulation workflow by integrating molecular dynamics as an additional dimension.\\
In addition to this study where molecular properties are translated into transport properties of amorphous structures, comprehensive device simulations have been performed to assess the impact of device architectures on luminance efficiency. The goal is to systematically identify performance bottlenecks and establish design rules for devices that can mitigate severe roll-off processes. As a final step, a computational degradation model was developed capable of simulating molecular degradation and luminance loss across a wide range of devices under various operating conditions.