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Lichtquellen und Leuchtdioden - Universität Potsdam

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Physik des Alltags:
Lichtquellen und Leuchtdioden
Frank Jaiser
Physik weicher Materie
Institut für Physik und Astronomie
Universität Potsdam
Potsdam-Golm
Die Sonne:
Das Maß aller Dinge
2500
idealer Schwarzer Körper
(Temperatur 5900 K)
extraterrestrische Sonnenstrahlung
(Luftmasse AM0)
terrestrische Sonnenstrahlung
(Luftmasse AM1,5)
2000
1500
1000
500
sichtbarer
UV Bereich
250
500
750
IR
1000
1250
1500
1750
2000
2250
Wellenlänge / nm
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg (angepasst) • http://www.planet-wissen.de/natur_technik/weltall/sonne/img/intro_soho_g.jpg 2
sichtbares Licht
Strahlungsintensität / W/m²µm
Sonnenlicht ist fast ideal weiß:
im gesamten sichtbaren Spektralbereich fast konstante Strahlungsintensitätsdichte
1500
1000
500
400
500
600
Wellenlänge / nm
700
Künstliche Lichtquellen sollten dem so nahe wie möglich kommen
 Farbtemperatur
 Farbwiedergabeindex
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg (angepasst)
3
Farbtemperatur
Strahlungsintensität eines schwarzen Strahlers mit Emissionsgrad 
Strahlungsintensität [norm.]
2ℎ 2
 ,  =  5
 exp
1

ℎ
−1
 
1.0
0.8
Schwarzkörper-Kurve
0.6
0.4
2700 K
5000 K
5800 K
0.2
0.0
400
600
800
1000
1200
Wellenlänge [nm]
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIE-Normfarbtafel.png
4
Quecksilber
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 5d10 6s2
4,9 eV
H. Haken, H.C. Wolf, Atom- und Quantenphysik, 8. Auflage, Springer 2004
5
Leuchtstofflampen
*
*
*
http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtstofflampe
6
Farbwiedergabeindex
Wie gut gibt eine Lichtquelle die Farben eines beleuchteten Objekts
im Vergleich zu einem schwarzen Strahler gleicher Farbtemperatur wieder?
Leuchtstofflampe
Halogenlampe
Foto-Blitzlicht
Beispiele für  (CRI):
Glühlampen 100
Leuchtstofflampen 50…100
Leuchtdioden 80…95
Natriumdampflampen 18…30
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metamerie-Vergleich-Lichtquellen.jpg
7
Elektrolumineszenz: Licht aus Strom
„Anregung“ von Atomen/Molekülen durch Austausch von Elektronen
Schritt 1: Entferne ein Elektron von unterem Elektronenniveau
Schritt 2: Füge Elektron zu oberem Elektronenniveau hinzu
„Loch“
Schritt 3: Elektron und Loch rekombinieren,
dabei wird Energiedifferenz als Photon abgegeben
8
Vom Atom zum Festkörper
Coulombpotential eines einzelnen Atoms
dichte Packung im Festkörper
führt zum Überlapp der
Potentiale
9
Dispersionsrelation – freies Elektron
Dispersionsparabel
an jedem Gitterplatz
Reduktion auf Brillouinzone
(Einheitszelle):
keine Lücken in ()
Abb.: kubisches Gitter
H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, 7. Auflage, Springer 2009
10
Dispersionsrelation – periodisches Potential
Streuung / Reflexion der Elektronenwellen
an periodischem Potential
 einzelne Wellenlängen () werden
ausgelöscht
 „Lücken“ in ()
Größe der Lücken steigt mit Amplitude des
periodischen Potentials
H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, 7. Auflage, Springer 2009
11
„Bandstruktur“
„Leitungsband“
Einfaches Bändermodell:
• vernachlässige -Achse
• fülle Bänder von unten nach oben
mit verfügbaren Elektronen
„Valenzband“
 Halbleiter, wenn letztes gefülltes Band
komplett gefüllt
12
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
13
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
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Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
15
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
16
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
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Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
18
Elektrolumineszenz in Halbleitern
LB
VB
Licht aus Materie - Physik moderner Lichtquellen
19
Direkte und indirekte Halbleiter
Germanium
S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley 1981
Silizium
Gallium-Arsenid
20
Bandlücken verschiedener Halbleiter
III-V-Halbleiter (LEDs):
AlGaAs
GaP
GaN
CIGS-Solarzellen:
Cu(In,Ga)x(S,Se)y
de.wikipedia.org/wiki/III-V-Verbindungshalbleiter • experimentalchemie.de
21
Kristallstrukturen
Diamant-Gitter:
zwei kubisch flächenzentrierte Gitter,
um (¼, ¼, ¼) versetzt
GaAs = Zinkblende-Gitter:
die beiden kfz-Untergitter sind mit
verschiedenen Atomen besetzt
GaN = Wurzit-Gitter:
hexagonal dichteste Kugelpackung,
Tetraederlücken zur Hälfte durch zweites
Element besetzt
https://de.wikipedia.org/wiki/Wurtzit
22
Effizienzen und Schichtaufbau
AlInGaP: rot → grün
AlInGaN: blau → grün
A. Laubsch et al., Physik Journal 9, 23 (2010)
23
Weiße LEDs
durchstimmbar
kein guter 
feste Farbzusammensetzung
je „wärmer“, desto ineffizienter
https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode • http://www.jands.com.au/support/product-support/lighting-technical-materials/what-to-look-for-when-judgingan-led-fixture146s-colour-mixing-capabilities133 • A. Laubsch et al., Physik Journal 9, 23 (2010)
24
Physik-Nobelpreis 2014
“for the invention of efficient blue light-emitting diodes
which has enabled bright and energy-saving white light sources”
Isamu Akasaki
Universität Nagoya
* 1929
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/
Hiroshi Amano
Universität Nagoya
* 1960
Shuji Nakamura
Nichia Chemical Corp.
* 1954
25
Chemie-Nobelpreis 2000
“for the discovery and development of conductive polymers”
Alan J. Heeger
Alan G. MacDiarmid
University of California University of Pennsylvania
* 1936
* 1927
† 2007
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2000/
Hideki Shirakawa
University of Tsukuba
* 1936
26
Doppelbindung: Ethen
σ-Bindung der Kohlenstoff-sp2-Hybridorbitale entlang der Bindungsachse „Geometrie“
π-Bindung durch Überlapp der verbleibenden p-Orbitale „elektronische Eigenschaften“
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_01.html
27
Konjugierte Systeme
1 Atom
1 AO
E
2 Atome
2 MO
N Atome
N MO
Polymer
2 “Bänder”
(Oligomere)
(unendlich viele Atome)
Polymer
(ungeordnet)
freie Zustände
„Leitungsband“
E
„Bandlücke“
besetzte Zustände
„Valenzband“
g(E)
28
Erste Polymer-LED
n
ITO
100 nm
Ca
Glas
Polymer-LED
Prof. Richard Friend
J.H. Burroughes et al., Nature 347, 539 (1990) • http://www.phy.cam.ac.uk/directory/friendr
29
Weiße Polymer-LED
Polyfluoren-basiertes Copolymer
Merck KGaA, Germany
OR
RO
R
R
OR
RO
m
BB (78.91%)
q
B (11%)
OR
R
R
R
R
S
S
RO
G (0.05%)
N
N
S
N N
S
HT (10%)
S. Bange, Transient Optical and Electrical Effects in Polymeric Semiconductors (Dissertation, 2009)
o
n
S
p
R (0.04%)
30
Der Elektronenspin in der Elektrolumineszenz
Molekülorbitale
Fluoreszenz
erlaubt
Phosphoreszenz
erfordert spin-flip
Ausgangszustand
31
phosphoreszente organische LEDs
• 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
CH3
N
Ir
N
N
F
S
N
CH3
O
H3C
F
Ir
N
F
N
O
Ir
CH3
S
Ir(btp)2(acac)
S. Lamansky et al., J. Am. Chem. Soc. 123, 4304, 2001
O
O
F
N
N
FIrPic
Strahlungsintensität / w.E.
H3C
FIrPic
Ir(mppy)3
1,0
Ir(btp)2(acac)
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
400
450
500
550
600
650
700
750
Wellenlänge / nm
32
Komplexer Schichtaufbau
O
O
O
O
O
O
O
O
N N
N
N
N
O
OTPD
MUPD
O
N
O
1.4 eV
PVK LUMO
-
PBD LUMO
PEDOT
anode
2.2 eV
Ir(ppy)3 LUMO
Ir(ppy)3 HOMO
5.4 eV
 5.1 eV
5.8 eV

PVK HOMO
CH3
H3C
n
N
Ir
N
N
N
H3C
Einbau von Blockaden für Löcher und Elektronen: alle Ladungen rekombinieren
X.H. Yang, D.C. Müller, D. Neher & K. Meerholz, "Highly efficient polymeric electrophosphorescent diodes", Advanced Materials 18, 948-954 (2006)
33
Themen für Hausarbeiten
•
•
•
•
•
Physikalische Konzepte der Photovoltaik
Die Physik der Silizium-Solarzelle
Organische Halbleiter / Organische Solarzellen
Organische Halbleiter / Organische Leuchtdioden
Der Nobelpreis für Physik 2014
34
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