Voordat Oled-schermen hun beloften waar kunnen maken, moeten er nog enkele hobbels worden gladgestreken. In Nijmegen nam promovendus Matthé Uijttewaal een aantal van deze problemen onder de loep. Met name kathodemateriaal kreeg veel aandacht. Ook richtte hij zijn blik op het verhogen van de Oled-efficiëntie en het doorrekenen van de geleiding in wanordelijke organische structuren.
Organische-led-schermen (Oled) hebben een aantal streepjes voor ten opzichte van de huidige beeldschermtechnologie; ze zijn energiezuinig, makkelijk te produceren en in potentie buigzaam. Maar voor fabrikanten zich op massaproductie kunnen storten, moeten ze nog enkele technologische barrières slechten.
Een Oled bestaat uit laag halfgeleidend organisch materiaal ingeklemd tussen een kathode en een anode. De anode onttrekt elektronen en creëert daardoor gaten. De kathode voert juist elektronen aan. Als deze recombineren, komt er een lichtpuls vrij. Voor het kathodemateriaal is het daarom belangrijk dat elektronen eenvoudig los kunnen komen, oftewel dat het een lage werkfunctie heeft. ’Het elektron uit het metaal moet een hogere energie te hebben dan het elektron in het Oled‘, zegt Fom-promovendus Matthé Uijttewaal. Hij deed tot november theoretisch onderzoek aan de Radboud Universiteit Nijmegen naar onder meer betere kathodematerialen. ’Het idee was echter dat lage werkfuncties gecombineerd zijn met een hoge reactiviteit.‘ Dat is natuurlijk ongewenst in een display die jaren mee moet gaan.
Dat idee bleek echter onterecht, zo toonde Uijttewaal uit. Tot nog toe was de combinatie van werkfunctie en oppervlaktestabiliteit alleen in elementen onderzocht. Uijttewaal vond dat legeringen wel degelijk de juiste combinatie van eigenschappen kunnen hebben. Een van de componenten moet daarvoor een lage elektronegativiteit en een laag valentiegetal hebben, bij een andere component moeten deze waarden juist hoog zijn.
Gedurende het onderzoek kreeg Uijttewaal steeds meer vat op de wetmatigheden van deze eigenschappen en wist hier uiteindelijk een model op te stellen. ’Toen ik dat had, hebben we het nog verder verfijnd. Daarom hebben we nu een heel algemeen model voor oppervlaktestabiliteit en werkfuncties‘, zegt Uijttewaal. Een echte aanbeveling voor Oled-fabrikanten heeft hij nog niet. Kostenaspect en productie zijn nog niet meegenomen in het onderzoek.
PhD pitches at the Benelux RF Conference
Learn about the latest trends and developments in high-end RF techniques. On 24 May, the Benelux RF Conference will take place in Nijmegen. New this year are the PhD pitches, in which young professionals present their research results. Make sure to reserve your seat in time and register now.
Naast deze combinaties maakte Uijttewaal ook een uitstapje naar het ophelderen van de kristalstructuur van boor. In de literatuur was geen overeenstemming over de structuur van de meest stabiele toestand. ’Dat heb ik samen met een collega gedaan die aan waterstofopslag werkt. We hadden allebei de energie van die grondtoestand nodig‘, zegt Uijttewaal. Boor heeft een zeer complexe kristalstructuur. De twee promovendi hebben nu een nieuwe mogelijke structuur voorgesteld. De theoretische berekeningen hieraan komen sterk overeen met de werkelijkheid, dus het is een goede kanshebber.
Ook besteedde Uijttewaal nog tijd aan het verschijnsel spinbaankoppeling. ’Dat gaat over de efficiëntie waarmee de ladingdragers in Oled-schermen licht produceren‘, vertelt hij. ’Ladingdragers kunnen op twee manieren vervallen, via een singlet en triplet. Dat heeft te maken met of de elektronenspins parallel of antiparallel staan. Alleen bij het verval van een singlet ontstaat er licht, als een triplet vervalt ontstaat er warmte. Maar singlets vervallen veel sneller dan triplets, dus als je die twee toestanden in elkaar kan laten overgaan, zullen er netto veel meer singlets vervallen.‘ Dat kan door hele zware elementen toe te voegen aan het materiaal. Uijttewaal controleerde de theoretische methodes die het proces van overgang beschrijven. Daarmee toonde hij aan dat dat al goed beschreven is en voor organische materialen gebruikt kan worden. Ook zette hij de eerste stappen voor het toepassen van spinbaankoppeling in grafiet. Een andere promovendus kan daar nu mee verder.
Als laatste keek Uijttewaal nog naar de modellen die het gedrag van elektronen in ongeordende organische lagen beschrijven. ’Het probleem van polymeren is dat ze niet netjes kristalliseren, maar dat het als het ware een bak met spaghetti wordt. Dat heeft een negatieve invloed op de geleiding maar een positieve invloed op het gemak waarmee elektronen vanuit de kathode het materiaal instromen‘, vertelt Uijttewaal. ’Uit dat deelonderzoek zijn mooie resultaten gekomen, maar niet iets wat direct toepasbaar is voor Oled-productie.‘ Dit laatste deel ging in samenwerking met de TU Eindhoven, en via promotor Reinder Coehoorn met Philips.
Uijttewaal is ondertussen naar Düsseldorf verhuisd voor een baan bij het Max-Planck-instituut. Daar werkt hij aan geheugenmetalen. ’Weer metalen, maar iets heel anders dan wat ik tot nu toe gedaan heb.‘