physik des alltags: lichtquellen und leuchtdioden · 1.4 ev 2.2 ev n n o o o o otpd 5.1 ev n o n n...
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Frank Jaiser
Physik weicher Materie
Institut für Physik und Astronomie
Universität Potsdam
Potsdam-Golm
Physik des Alltags:Lichtquellen und Leuchtdioden
2https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg (angepasst) • http://www.planet-wissen.de/natur_technik/weltall/sonne/img/intro_soho_g.jpg
Die Sonne:Das Maß aller Dinge
UV IR
idealer Schwarzer Körper
(Temperatur 5900 K)
extraterrestrische Sonnenstrahlung
(Luftmasse AM0)
terrestrische Sonnenstrahlung
(Luftmasse AM1,5)
500
1000
1500
2000
2500
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Wellenlänge / nm
sichtbarerBereich
3https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg (angepasst)
sichtbares Licht
500
1000
1500
400 500 600 700
Str
ah
lun
gsin
ten
sität
/ W
/m²µ
m
Wellenlänge / nm
Sonnenlicht ist fast ideal weiß:im gesamten sichtbaren Spektralbereich fast konstante Strahlungsintensitätsdichte
Künstliche Lichtquellen sollten dem so nahe wie möglich kommen Farbtemperatur Farbwiedergabeindex
4http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIE-Normfarbtafel.png
Farbtemperatur
𝑖𝜆 𝜆, 𝑇 = 𝜀2ℎ𝑐2
𝜆51
expℎ𝑐
𝜆𝑘𝐵𝑇− 1
𝑑𝜆
Strahlungsintensität eines schwarzen Strahlers mit Emissionsgrad 𝜀
400 600 800 1000 1200
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Str
ah
lun
gsin
ten
sitä
t [n
orm
.]
Wellenlänge [nm]
2700 K
5000 K
5800 K
Schwarzkörper-Kurve
5H. Haken, H.C. Wolf, Atom- und Quantenphysik, 8. Auflage, Springer 2004
Quecksilber
4,9 eV
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 5d10 6s2
6http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstofflampe
Leuchtstofflampen
*
*
*
7http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metamerie-Vergleich-Lichtquellen.jpg
Farbwiedergabeindex
Wie gut gibt eine Lichtquelle die Farben eines beleuchteten Objektsim Vergleich zu einem schwarzen Strahler gleicher Farbtemperatur wieder?
Leuchtstofflampe Halogenlampe Foto-Blitzlicht
Glühlampen 100Leuchtstofflampen 50…100
Leuchtdioden 80…95Natriumdampflampen 18…30
Beispiele für 𝑅𝑎 (CRI):
8
Elektrolumineszenz: Licht aus Strom
Schritt 1: Entferne ein Elektron von unterem Elektronenniveau
Schritt 2: Füge Elektron zu oberem Elektronenniveau hinzu
„Loch“
„Anregung“ von Atomen/Molekülen durch Austausch von Elektronen
Schritt 3: Elektron und Loch rekombinieren,dabei wird Energiedifferenz als Photon abgegeben
9
Vom Atom zum Festkörper
Coulombpotential eines einzelnen Atoms
dichte Packung im Festkörperführt zum Überlapp derPotentiale
10H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, 7. Auflage, Springer 2009
Dispersionsrelation – freies Elektron
Dispersionsparabelan jedem Gitterplatz
Reduktion auf Brillouinzone(Einheitszelle):keine Lücken in 𝐸(𝑘)Abb.: kubisches Gitter
11H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, 7. Auflage, Springer 2009
Dispersionsrelation – periodisches Potential
Streuung / Reflexion der Elektronenwellen an periodischem Potential einzelne Wellenlängen (𝑘) werden
ausgelöscht „Lücken“ in 𝐸(𝑘)Größe der Lücken steigt mit Amplitude des periodischen Potentials
12
„Bandstruktur“
Einfaches Bändermodell:• vernachlässige 𝑘-Achse• fülle Bänder von unten nach oben
mit verfügbaren Elektronen
Halbleiter, wenn letztes gefülltes Bandkomplett gefüllt
„Valenzband“
„Leitungsband“
13Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
14Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
15Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
16Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
17Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
18Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
19Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
20S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley 1981
Direkte und indirekte Halbleiter
Germanium Silizium Gallium-Arsenid
21de.wikipedia.org/wiki/III-V-Verbindungshalbleiter • experimentalchemie.de
Bandlücken verschiedener Halbleiter
III-V-Halbleiter (LEDs):AlGaAsGaPGaN
CIGS-Solarzellen:Cu(In,Ga)x(S,Se)y
22https://de.wikipedia.org/wiki/Wurtzit
KristallstrukturenDiamant-Gitter:zwei kubisch flächenzentrierte Gitter,um (¼, ¼, ¼) versetztGaAs = Zinkblende-Gitter:die beiden kfz-Untergitter sind mit verschiedenen Atomen besetzt
GaN = Wurzit-Gitter:hexagonal dichteste Kugelpackung, Tetraederlücken zur Hälfte durch zweites Element besetzt
23A. Laubsch et al., Physik Journal 9, 23 (2010)
Effizienzen und Schichtaufbau
AlInGaP: rot → grünAlInGaN: blau → grün
24
https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode • http://www.jands.com.au/support/product-support/lighting-technical-materials/what-to-look-for-when-judging-an-led-fixture146s-colour-mixing-capabilities133 • A. Laubsch et al., Physik Journal 9, 23 (2010)
Weiße LEDs
durchstimmbarkein guter 𝑅𝑎
feste Farbzusammensetzungje „wärmer“, desto ineffizienter
25http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/
Physik-Nobelpreis 2014
“for the invention of efficient blue light-emitting diodeswhich has enabled bright and energy-saving white light sources”
Isamu AkasakiUniversität Nagoya
* 1929
Hiroshi AmanoUniversität Nagoya
* 1960
Shuji Nakamura Nichia Chemical Corp.
* 1954
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2000/
Chemie-Nobelpreis 2000
“for the discovery and development of conductive polymers”
Alan J. HeegerUniversity of California
* 1936
Alan G. MacDiarmid University of Pennsylvania
* 1927† 2007
Hideki Shirakawa University of Tsukuba* 1936
26
27http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_01.html
Doppelbindung: Ethen
σ-Bindung der Kohlenstoff-sp2-Hybridorbitale entlang der Bindungsachse „Geometrie“π-Bindung durch Überlapp der verbleibenden p-Orbitale „elektronische Eigenschaften“
1 Atom1 AO
2 Atome2 MO
N Atome MON
(Oligomere)
Polymer2 “Bänder”
(unendlich viele Atome)
E
28
Konjugierte Systeme
E
g(E)
Polymer(ungeordnet)
„Bandlücke“
freie Zustände„Leitungsband“
besetzte Zustände„Valenzband“
29J.H. Burroughes et al., Nature 347, 539 (1990) • http://www.phy.cam.ac.uk/directory/friendr
Erste Polymer-LED
Prof. Richard Friend
Glas
10
0 n
m
ITO
Ca
n
Polymer-LED
30S. Bange, Transient Optical and Electrical Effects in Polymeric Semiconductors (Dissertation, 2009)
Weiße Polymer-LED
Polyfluoren-basiertes Copolymer
Merck KGaA, Germany
RO
RO
OR
OR
q
B (11%)
R R
NN
R R RR SS
RO
OR
N NS
SS
n
m
BB (78.91%)
HT (10%)
o
p
G (0.05%)
R (0.04%)
31
Der Elektronenspin in der Elektrolumineszenz
Fluoreszenzerlaubt
Phosphoreszenzerfordert spin-flip
Ausgangszustand
Molekülorbitale
32S. Lamansky et al., J. Am. Chem. Soc. 123, 4304, 2001
phosphoreszente organische LEDs
CH3
CH3
CH3
N
N
N
Ir
F
O
F
F
N
N
Ir
NF
O
S
N
Ir
S N
CH3
CH3
O
O
Ir(btp)2(acac) FIrPic
• nutze „Schweratomeffekt“: hohe Kernladungszahl induziert Spin-Bahn-Kopplung
• Absorption: Ligand π-π*, 1MLCT and 3MLCT• Lumineszenz: Ligand π-π*, MLCT• externer Schweratomeffekt: Iridium beeinflusst Liganden
Ir(mppy)3
400 450 500 550 600 650 700 7500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Str
ah
lun
gsin
ten
sitä
t /
w.E
.
Wellenlänge / nm
FIrPic
Ir(mppy)3
Ir(btp)2(acac)
33X.H. Yang, D.C. Müller, D. Neher & K. Meerholz, "Highly efficient polymeric electrophosphorescent diodes", Advanced Materials 18, 948-954 (2006)
Komplexer Schichtaufbau
N N
O
O
O
O
O O
PVK LUMO
Ir(ppy)3HOMO
PVK HOMO
PBD LUMO Ir(ppy)3LUMOPEDOT
anode
5.8 eV
----
5.4 eV
MUPD
1.4 eV
2.2 eV
N N
O
O
O
O
OTPD
5.1 eV
N
O
N
N
n
CH3
CH3
CH3
N
N
N
Ir
N N
O
O
O
O
O O
PVK LUMO
Ir(ppy)3HOMO
PVK HOMO
PBD LUMO Ir(ppy)3LUMOPEDOT
anode
5.8 eV
----
5.4 eV
MUPD
1.4 eV
2.2 eV
N N
O
O
O
O
OTPD
5.1 eV
N
O
N
N
n
CH3
CH3
CH3
N
N
N
Ir
Einbau von Blockaden für Löcher und Elektronen: alle Ladungen rekombinieren
• Physikalische Konzepte der Photovoltaik
• Die Physik der Silizium-Solarzelle
• Organische Halbleiter / Organische Solarzellen
• Organische Halbleiter / Organische Leuchtdioden
• Der Nobelpreis für Physik 2014
34
Themen für Hausarbeiten