Vrstva po vrstvě

Molekuly se odpařují a usazují se na povrchu – tento výrobní krok při výrobě organických součástek by nyní mohl být předpovězen na počítači pomocí nové simulační metody. / Molecules are vaporized and accumulate on a surface - this production step in the manufacture of organic components could now be predicted on the computer using a new simulation method.

Organické součástky jsou v poslední době často zmiňovány například kvůli moderním televizorům s organickými diodami (OLED). Vývoj nových a udržitelných systémů materiálů – od výroby potřebných molekul až po výrobu funkčních součástek – je však stále časově náročný. Vědci* kolem Denise Andrienka z Max-Planck-Institutu pro polymerový výzkum a Falka Maye ze společnosti Display Solutions při Mercku nyní vyvinuli simulační metodu, která by mohla výrazně urychlit hledání vhodných organických součástek.

Vysoký kontrast, úspora energie – to jsou vlastnosti nových organických diod. U těchto diod jsou používány organické molekuly, tj. molekuly obsahující uhlík. Ale i jiné součástky, například vyrobené z polovodiče křemíku, jako jsou tranzistory, by v budoucnu mohly být nahrazeny organickými prvky.

U toho však existuje několik výzev: syntéza odpovídajících molekul a následná výroba tenkých vrstev z příslušného materiálu. To je nezbytné, protože typické organické součástky se skládají z několika jednotlivých, tenkých vrstev různých materiálů.

Zatímco elektronické vlastnosti nových molekul lze předem předpovědět pomocí příslušných simulačních metod ještě před syntézou, je výzvou předpovědět, jak se molekula bude chovat při výrobě tenkých vrstev: Jak se molekuly navzájem uspořádají? Ukazují určitou orientaci? Jak hladký bude povrch? Jakou rychlostí by měly být molekuly odpařovány – tj. kolik molekul za sekundu by mělo dopadnout na povrch?

Pro předpověď výroby vrstev se týmy kolem Denisa Andrienka, vedoucího skupiny na MPI pro polymerový výzkum, a Falka Maye ze společnosti Merck rozhodly pro nový přístup. Obtížnost při simulaci procesu odpařování spočívá v tom, že by bylo nutné vzít v úvahu prakticky každý atom simulovaného molekuly. Abychom získali přesné výsledky, jsou potřeba obrovské výpočetní kapacity: molekula musí být v počítači zobrazená tak, aby odpovídala její prostorové struktuře, a je třeba minimalizovat časové kroky na úrovni 2 femtosekund – tedy 2 miliontiny miliardtiny sekundy – aby bylo možné přesně předpovědět molekulární pohyby.

„To znamená, že i s dnešními výpočetními kapacitami není taková simulace efektivně realizovatelná,“ říká Denis Andrienko. „Zvolili jsme proto jinou cestu: nebudeme se dívat tak přesně!“ V modelech, které Andrienko a jeho tým používají, nejsou molekuly zobrazeny až na atomární úrovni, ale jsou „zvětšeny“. Tato metoda – nazývaná hrubým zpracováním (coarse graining) – představuje spíše „krabici, do které molekula zapadá“, než samotnou molekulu.

Toto výrazně urychluje simulace. Za prvé, není třeba tak detailního prostorového rozlišení, za druhé, redukce stupňů volnosti umožňuje větší časové skoky mezi jednotlivými kroky simulace. Díky tomu lze simulaci provést v podstatně kratším čase a již poskytuje důležité kvalitativní a kvantitativní informace o molekule. V experimentu může výroba a testování jednotlivých molekulárních filmů trvat mnohem déle.

Tým, který výsledky nedávno publikoval v časopise „Advanced Energy Materials“, doufá, že použitá simulační metoda může výrazně zjednodušit a urychlit výrobu nových součástek.