Réteg a rétegenként

Moleküle werden verdampft und lagern sich an einer Oberfläche an – dieser Produktionsschritt bei der Herstellung organischer Bauelemente könnte nun durch eine neuartige Simulationsmethode bereits im Computer vorhergesagt werden. / 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.

Az organikus elemek nem utolsósorban a modern televíziókban, organikus fénykibocsátó diódák (OLED-ek) révén kerültek a köztudatba. Azonban az új típusú és fenntartható anyagrendszerek fejlesztése – az anyagok előállításától a működő elemek gyártásáig – továbbra is időigényes. Denis Andrienko a Max-Planck-Institut für Polymerforschung kutatója és Falk May a Merck Display Solutions részlegéről most egy szimulációs módszert fejlesztett ki, amely jelentősen felgyorsíthatja a megfelelő organikus elemek keresését.

Magas kontraszt, energiatakarékosság – ezek a jellemzői az új típusú organikus fénykibocsátó diódáknak. Ezekben organikus molekulákat, azaz szénatomokat tartalmazó molekulákat használnak. De más elemek, például a szilícium félvezetőből készült alkatrészek, mint tranzisztorok, a jövőben organikus elemekkel helyettesíthetők lehetnek.

Ez azonban több kihívást is jelent: az adott molekulák szintézise, valamint a megfelelő anyagból készült vékony rétegek gyártása. Ez szükséges, mivel a tipikus organikus elemek több, különböző anyagból készült, vékony rétegből állnak.

Míg az új molekulák elektronikus tulajdonságait a szintézis előtt már megfelelő szimulációs módszerekkel előre jelezhetjük, addig az, hogy a molekula hogyan viselkedik a vékony rétegek gyártásakor, kihívást jelent: Hogyan rakódnak egymásra a molekulák? Mutatnak-e relatív orientációt? Mennyire sima lesz a felület? Milyen gyorsan kell a molekulákat párologtatni – azaz hány molekulát kell másodpercenként a felületre juttatni?

Az egyes rétegek gyártásának előrejelzéséhez Denis Andrienko, a MPI Polymerforschung csoportvezetője és Falk May a Merck csapata egy új megközelítést alkalmazott. A szimuláció során a párologtatási folyamat nehézsége az, hogy gyakorlatilag minden egyes atomot figyelembe kellene venni a szimulált molekulában. Pontos eredmények eléréséhez hatalmas számítási kapacitásokra van szükség: a molekulát térben megfelelően kell megjeleníteni a számítógépen, hogy az egyes atomokat ábrázolni tudjuk. Ráadásul időben is minimális lépéseket kell alkalmazni, körülbelül 2 femtosekundumos – azaz 2 milliószor egy milliárdod másodperc – lépéseket, hogy a molekuláris mozgásokat megfelelően előre jelezzük.

„Ezért még a mai számítási kapacitásokkal sem kivitelezhető hatékonyan egy ilyen szimuláció” – mondja Denis Andrienko. „Ezért más utat választottunk: nem nézünk ilyen részletesen!” A Andrienko és csapata által használt modellekben a molekulákat nem az atomok szintjén ábrázolják, hanem „nagyítva” jelenítik meg. Ezt a módszert – Coarse Graining néven – inkább úgy lehet jellemezni, mint egy „kitöltő dobozt”, ami a molekula „kiválasztott” részeit helyettesíti, nem pedig magát a molekulát.

Ez hatalmas gyorsulást eredményez a szimulációkban. Egyrészt nem kell többé olyan részletességgel felbontani a térben, másrészt a szabadsági fokok csökkentése lehetővé teszi, hogy nagyobb időugrásokat alkalmazzunk az egyes szimulációs lépések között. Ezáltal a szimuláció sokkal rövidebb idő alatt elvégezhető, és már fontos kvalitatív és kvantitatív következtetéseket tesz lehetővé a molekuláról. A kísérletek során a molekuláris filmek gyártása és tesztelése sokszorosa lehet az időnek.

A csapat, amely nemrégiben az „Advanced Energy Materials” folyóiratban publikálta eredményeit, reméli, hogy a használt szimulációs módszer jelentősen egyszerűsítheti és felgyorsíthatja az új elemek gyártását.