Home | Impressum | KIT

Stofftransport-Simulation

Stofftransport-Simulation
Forschungsthema:Modellierung des Stofftransports in Nanoschichten (theoretisch)
Typ:Bachelorarbeit / Masterarbeit
Datum:ab sofort
Betreuer:

Fritzensmeier

Bearbeiter:zu vergeben

Modellierung des Stofftransports in Nanoschichten (theoretisch)

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.

 

OPV

Abb. 1: Organische Solarzelle (L. Wengeler)

OLED im Klavierlayout
Abb. 2: Am InnovationLab hergestellte OLED im Klavierlayout (in Kooperation mit IDD, LTI und Merck KGaA). 


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 der Stofftransportphänomene in Nanoschichten durch Simulationen und anhand von experimentellen Ergebnissen verbessert werden. Es sollen dafür neue Modelle entwickelt und validiert werden. Diese sollen mit einem am Institut entwickelten Simulationstool an die realen Stoffsysteme und Bedingungen angepasst werden, um die Trocknung von Funktionsschichten der organischen Elektronik genau zu beschreiben und somit Schlussfolgerungen für die Prozessierung ziehen zu können.

 

Stofftransportmodell für Nanoschichten von Buss [1]
Abb. 4: Stofftransportmodell für Nanoschichten von Buss [1]

 

Versuchsanlagen, Apparate, Programme

Excel / VBA (Vorkenntnisse nicht erforderlich)

NuSFid (Visual Basic)

...

 


[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.