Laag voor laag

Moleculen worden verdampt en accumuleren op een oppervlak – deze productiestap bij de vervaardiging van organische componenten kan nu al worden voorspeld op de computer met behulp van een nieuwe simulatiemethode.

Organische Bauelemente sind niet minacht door moderne televisies met organische lichtdiodes (OLED's). Maar de ontwikkeling van nieuwe en duurzame materiaalsystemen - van de productie van de benodigde moleculen tot de fabricage van werkende componenten - blijft tijdrovend. Wetenschappers* om Denis Andrienko van het Max-Planck-Institut für Polymerforschung en Falk May van Display Solutions bij Merck hebben nu een simulatiemethode ontwikkeld die de zoektocht naar geschikte organische componenten aanzienlijk zou kunnen versnellen.

Hoge contrasten, energiezuinig – dat zijn eigenschappen van nieuwe organische lichtdiodes. Bij deze worden organische moleculen, dat wil zeggen moleculen die koolstof bevatten, gebruikt. Maar ook andere componenten, die tegenwoordig bijvoorbeeld uit het halfgeleider silicium worden vervaardigd, zoals transistors, zouden in de toekomst vervangen kunnen worden door organische elementen.

Hierbij zijn echter meerdere uitdagingen: de synthese van de overeenkomstige moleculen, evenals het daaropvolgende vervaardigen van dunne lagen van het betreffende materiaal. Dit is noodzakelijk omdat typische organische componenten bestaan uit meerdere dunne lagen van verschillende materialen.

Terwijl de elektronische eigenschappen van nieuwe moleculen vóór de synthese al kunnen worden voorspeld met behulp van bijbehorende simulatiemethoden, is de voorspelling van hoe het molecuul zich gedraagt bij het vervaardigen van dunne lagen een uitdaging: Hoe hechten meerdere moleculen zich aan elkaar? Vertonen ze een relatieve oriëntatie? Hoe glad wordt het oppervlak? Met welke snelheid moeten de moleculen worden verdampt – dat wil zeggen, hoeveel moleculen per seconde moeten op een oppervlak landen?

Om de productie van de lagen te voorspellen, hebben teams onder leiding van Denis Andrienko, groepsleider aan het MPI voor Polymerforschung, en Falk May van Merck een nieuwe aanpak gevolgd. De moeilijkheid bij het simuleren van het verdampingsproces is dat in principe elk afzonderlijk atoom van het te simuleren molecuul moet worden bekeken. Om hier exacte resultaten te verkrijgen, zijn enorme rekenkracht nodig: Het molecuul moet ruimtelijk goed worden weergegeven in de computer om de individuele atomen te modelleren. En ook qua tijd zijn minimale tijdstappen in de orde van 2 femtoseconden – dus 2 miljoenste van een miljardste seconde – vereist om de moleculaire bewegingen adequaat te voorspellen.

„Daarmee is zo'n simulatie met de huidige rekenkracht niet efficiënt uit te voeren“, zegt Denis Andrienko. „We hebben daarom een andere weg gekozen: We kijken niet zo precies!“ In de modellen die Andrienko en zijn team gebruiken, worden de moleculen daarom niet tot op atoomniveau weergegeven, maar „vergroten“ ze. Deze methode – coarse graining genoemd – stelt dus meer een „vulling“ voor dan het molecuul zelf.

Dit versnelt de simulaties enorm. Enerzijds hoeft niet meer ruimtelijk zo gedetailleerd te worden gewerkt, anderzijds leidt de vermindering van de vrijheidsgraden tot grotere toegestane tijdsprongen tussen afzonderlijke simulatiestappen. Hierdoor kan een simulatie in aanzienlijk kortere tijd worden uitgevoerd en levert het al belangrijke kwalitatieve en kwantitatieve uitspraken op over het molecuul. In het experiment kan de productie en test van de afzonderlijke moleculaire films vele malen meer tijd kosten.

Het team dat de resultaten onlangs publiceerde in het tijdschrift „Advanced Energy Materials“ hoopt dat de gebruikte simulatiemethode de productie van nieuwe componenten aanzienlijk kan vereenvoudigen en versnellen.