Wärmeleitung in organischen Halbleitern

Auf organischen Halbleitern basierende Displays sind mittlerweile in praktisch allen hochwertigen Mobiltelefonen enthalten. Organische Halbleiter haben auch ein enormes Potential für Beleuchtungsanwendungen, für Solarzellen, für flexible elektronische Schaltungen und auch für thermoelektrische Bauelemente. Wärmetransport spielt für all diese Anwendungen eine zentrale Rolle. Dabei geht es einerseits darum, Abwärme aus dem Bauelement tu entfernen. Diese Wärme entsteht beispielsweise durch die Bestrahlung mit Infrarotlicht, durch nichtstrahlende Rekombination von Ladungsträgern und durch mit dem Ladungstransport verbundene ohmsche Verluste. Andererseits muss der Temperaturgradient für thermoelektrische Anwendungen erhalten bleiben, weshalb hier die Wärmeleitfähigkeit nicht zu groß sein darf. Nichtsdestotrotz weiß man bisher nur sehr wenig über Wärmeleitungsprozesse in organischen Halbleitern. Insbesondere fehlt uns das Verständnis für die Beziehung zwischen der Struktur der Materialien und ihrer Wärmeleitfähigkeit, wobei sich Struktur hier sowohl auf die Zusammensetzung der einzelnen Moleküle als auch auf deren relative Anordnung und Wechselwirkung in Molekülkristallen bezieht. Das Ziel des aktuellen Projekts ist es, diese Wissenslücke zu schließen und entsprechend detaillierte Struktur-zu-Eigenschaftsbeziehungen zu entwickeln. Die dabei primär verfolgte Strategie sind Computersimulationen, wobei wir hier vor allem von deren inhärenter Flexibilität und Effizienz profitieren werden. Diese Simulationen sollen durch Experimente in Kooperation mit unseren Partnern vom Materials Center Leoben, von der Universität Bologna (Italien), der Freien Universität Brüssel (Belgien) und der Universität Nara (Japan) durchgeführt werden. Bei den Simulationen werden wir zwei komplementäre Ansätze verfolgen: Einerseits werden wir untersuchen, welche Teile der Molekülkristalle den Wärmetransport behindern, wozu wir die lokale Wärmeleitfähigkeit mit de facto atomarer Auflösung berechnen werden. Andererseits werden wir die Wärmeleitfähigkeit auch über die Bewegung so genannter Phononen beschreiben. Phononen sind jene Quasiteilchen, die in einem nichtleitenden Kristall die thermische Energie transportieren und deren Geschwindigkeit, Lebensdauer und Energie die Wärmeleitfähigkeit des Materials bestimmen. Diese Phononen sind unmittelbar mit den Schwingungseigenschaften der Kristalle verbunden, welche sich wiederum durch die atomare Struktur der Moleküle und deren relative Anordnung kontrollieren lassen. Der Hauptnutzen des Projekts wird es sein, dass die generierten Struktur-zu-Eigenschaftsbeziehungen uns die Werkzeuge in die Hand legen werden, um in Zukunft organische Halbleitermaterialien mit gezielt eingestellten Wärmeleitungseigenschaften zu realisieren.

Der Transport von Wärmeenergie spielt in fast allen Anwendungen von Materialien eine zentrale Rolle, sei es um Abwärme abzuführen, um Wärme zu speichern, oder um thermische Energie für Prozesse zur Verfügung zu stellen, für die sie benötigt wird. Dennoch ist Wärmetransport noch relativ schlecht verstanden, insbesondere in komplexen Materialien wie organischen Halbleitern oder den eng verwandten metall-organischen Netzwerksystemen (MOFs). Das Aktuelle Projekt liefert zahlreiche Beiträge, um diese Situation zu ändern. Beispielsweise wurde eine auf künstlicher Intelligenz (KI) basierte Methode entwickelt, um Wärmeleitungsprozesse auch in komplexen Materialien mit einer noch nie dagewesenen Genauigkeit zu beschreiben, sodass atomistische Simulationen mittlerweile in der Lage sind, experimentelle Beobachtung auch quantitativ zu reproduzieren und vorherzusagen. Dabei ist es wichtig festzuhalten, dass KI im vorliegenden Fall nicht lediglich zum Aufzeigen von Korrelationen verwendet wird. Ganz im Gegenteil geht es darum, KI einzusetzen, um Methoden zu entwickeln, die es erlauben Kausalitäten mittels Simulationen aufzuklären und das mit noch nie dagewesener Genauigkeit und Geschwindigkeit. So lässt sich beispielsweise für die umfangreichsten Simulationen im Projekt abschätzen, dass die KI-generierten Methoden im Vergleich zur üblicherweise in der Materialsimulation eingesetzten Dichtefunktionaltheorie die Simulationen um einen Faktor von 10^11 beschleunigen. Besonders mannigfaltige Erkenntnisse ließen sich im Projekt außerdem dadurch erzielen, dass Wärmetransport sowohl anhand der Bewegungen der Teilchen in sogenannten Nichtgeichgewichtsmoleküldynamiksimulationen untersucht wurde und gleichzeitig eine Analyse der die Dynamik sogenannter Phononen durchgeführt wurde. Letztere sind die Quasipartikel, die die Schwingungen der Atome beschreiben und die quantisierte Portionen an Wärmeenergie tragen. Durch den Einsatz dieser komplementären Zugänge konnten wir die Kontakte zwischen den Molekülen in organischen Halbleitern und die Bindungen zwischen den Metalloxidknoten und den organischen Linkern in MOFs als die primären Barrieren für den Wärmetransport identifizieren. Außerdem konnten wir zeigen, dass traditionelle Modelle, die Wärmetransport über eine quasi-klassische Migration der Phononen beschreiben, in Materialien mit niedrigen Wärmeleitfähigkeiten nicht ausreichen und dass Phononentunneleffekte ebenso berücksichtigt werden müssen. Nur so lassen sich die Temperaturabhängigkeiten und die Anisotropie von Wärmeleitfähigkeiten in organischen Halbleitern zufriedenstellend erklären. Die Beschreibung von Wärmeleitung als Migration von Phononen erlaubt es auch, zu erklären, wieso die Wärmeleitung unter hohen Drücken so stark ansteigt. Es lässt sich nämlich zeigen, dass unter Druck die Geschwindigkeiten der Phononen signifikant ansteigen und dass auch die Zeiten zwischen unelastischen Kollisionen mit anderen Phononen zunehmen. Abschließend sei auch noch erwähnt, dass im Projekt erklärt wird, wieso die Wärmeleitung hochgeordneter, kristalliner Polymere entlang der Ketten so hoch ist und warum dies nicht mehr gilt, wenn die Polymere Seitenketten tragen (wie dies für organische Halbleiter üblich ist). Letzteres lässt sich wieder auf den Einfluss der Seitenketten auf die Phononeneigenschaften zurückführen.