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Lösemitteldiffusion in Nanoschichten

Lösemitteldiffusion in Nanoschichten
Forschungsthema:Untersuchung des Stofftransports in Nanoschichten für die organischen Elektronik (experimentell)
Typ:Bachelorarbeit / Masterarbeit
Datum:ab sofort
Betreuer:

Fritzensmeier

Bearbeiter:zu vergeben

Untersuchung des Stofftransports in Nanoschichten für die organischen Elektronik (experimentell)

Motivation

Die Herstellung von organischer Elektronik (OLED, OPV, OFETs, etc.) aus der Flüssigphase bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber Vakuum-Aufdampfprozessen. Diese sind ein geringerer Materialverlust, die bessere Eignung für Polymerbeschichtungen, sowie ein geringerer apparativer Aufwand bei der Hochskalierung auf kontinuierlichen Roll-to-Roll-Beschichtungsanlagen. Bei der Flüssiphasenapplikation liegt die aktive Komponente in der Regel in einer Lösung oder Dispersion vor, welche als dünner Film auf ein Substrat aufgebracht wird. In einem Trocknungsschritt wird das verwendete Lösemittel entfernt. Entscheidend ist dabei, dass kein Restlösemittel in den fertigen Bauteilen zurückbleibt, da vermutet wird, dass dies zu einem Effizienzverlust oder zu vorzeitiger Alterung führen kann. Dies stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Diffusion im Vergleich zum zu Beginn applizierten Nassfilm bei niedrigen Lösemittelkonzentrationen im Verlauf der Trocknung stark verlangsamt ist. Ein weiterer Aspekt ist das Anlösen der schon applizierten Schichten bei der nachfolgenden Beschichtung weiterer Materialien.

 

OLED
Abb. 1: Am InnovationLab hergestellte OLED im Klavierlayout
(in Kooperation mit IDD, LTI und Merck KGaA). 
Organische Leuchtdiode
Abb. 2: Organische Solarzelle (L. Wengeler)

 

Hintergrund

Entscheidend für den Stofftransport von Lösemitteln in Nanoschichten sind das Phasengleichgewicht und der Diffusionskoeffizient. Beides ist vom Stoffsystem, der Lösemittelkonzentration und bei dünnen Schichten von der Schichtdicke abhängig. Diese Parameter können mit Hilfe einer am Institut vorhandenen ultrapräzisen Sorptionsapparatur mit einer Quarzkristallmikrowaage bestimmt werden. Aus Vorarbeiten und der Literatur ist bekannt, dass der Diffusionskoeffizient in Polymer/Lösemittel-Stoffsystemen um Größenordnungen abnehmen kann, wenn Schichtdicken unter 200 nm untersucht werden. Eine mögliche Erklärung ist eine substratnahe Grenzschicht, in der durch die eingeschränkte Mobilität der Polymerketten der Lösemitteltransport gehemmt ist [1]. 

 

QCM
Abb. 3: Schematische Darstellung eines Schwingquarzkristalls (links) und Konzentrationsprofil in Nanoschicht

 

Aufgabe

In dieser Arbeit soll das Verständnis von Stofftransportphänomenen in Nanoschichten durch geeignete Experimente verbessert werden. Dafür soll Stofftransport in Nanoschichten für verschiedene Stoffsysteme mit einem Fokus auf für die organische Elektronik relevante Substanzen untersucht werden. Anhand von Modellanpassungen sollen die Stofftransportparameter bestimmt, sowie die spezifischen Phänomene für Nanoschichten untersucht werden. Ein Modellstoffsystem soll vermessen werden, um Vergleiche zu Simulationen eines Projektpartners anstellen zu können. 

 

QCM
Abb. 4: Sorptionsapparatur mit Quarzkristallmirkowaage

 

Versuchsanlagen, Apparate, Programme

Sorptionsapparatur mit Quarzkristallmikrowaage

Spincoater

Profilometer (Dektak)

Sorptionsapparatur mit hochpräziser Magnetschwebewaage (Masterarbeit)

Excel / VBA (Vorkenntnisse nicht erforderlich)

...


[1] Buss, Felix; Göcke, Johannes; Scharfer, Philip; Schabel, Wilhelm (2015): From Micro to Nano Thin Polymer Layers. Thickness and Concentration Dependence of Sorption and the Solvent Diffusion Coefficient. In: Macromolecules 48 (22), S. 8285–8293. DOI: 10.1021/acs.macromol.5b01648.