Chemie-Labothek: Innovative Kunststoffe - Chemie und ihre Didaktik ...

Bergische Universität Wuppertal
Chemie und ihre Didaktik
Chemie-Labothek: Innovative Kunststoffe
Block 3
Elektrolumineszenz in organischen Leuchtdioden
Versuch: Herstellung einer low-cost Eigenbau-OLED
Sicherheitshinweise
Chemikalien
Material
Sowohl Superyellow als
auch Galinstan sind unbedenklich
und im Schülerversuch
einsetzbar.
Galinstan kann schwarze
Flecken hinterlassen, die
sich aber leicht mit Wasser
abwaschen lassen.
3 Tropfen PEDOT:PSS
0,1 mL Superyellow in Toluol
0,6 g Galinstan
3 Kupferfolien (3mm x 10 mm)
Aceton
F Xi
F
Xn
1 ITO-Glas (3cm x 3 cm)
Bohrmaschine (3000 U/min)
Spritzschutz für Spincoating
Multimeter mit 2 Anschlusskabel
2 Krokodilklemmen
9 V Blockbatterie mit Kabel
Beim Spincoaten unbedingt
eine Schutzbrille tragen!
1 mL Einwegspritze mit Kanüle
Doppelseitiges Klebeband
Klebefilmrolle, Schere
Tupferstift, Objektträger
Heißluftfön
Locher
Versuchsdurchführung und -beobachtung
1. Vorbereiten der ITO-Glases
a) Reinigen Sie das ITO-Glas gründlich mit Aceton und einem
Zellstofftuch
b) Befestigen Sie wie in der Abbildung zu sehen an einem Ende
des ITO-Glases einen Streifen Tesafilm. Die oben aufliegende
Seite ist die leitfähige Seite.
c) Im nächsten Schritt wird mit einem Tupferstift entlang des
Klebefilmstreifens (s. Abb.) die wässrige Lösung des elektrisch
leitfähigen Kunststoffs PEDOT:PSS aufgetragen.
d) Im nächsten Schritt wird mithilfe eines Objektträgers die Flüssigkeit
gleichmäßig über das Glas gezogen (s. Abb.), sodass ein
hauchdünner Film gebildet wird.
e) Das Glas wird mit dem Heißluftfön getrocknet.
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2. Spincoating mit Superyellow
Achtung! Da beim Spincoaten Toluol verdunstet, sollte dieser Schritt
unter dem Abzug und nur unter Aufsicht einer Lehrperson erfolgen.
e) Fixieren Sie mithilfe eines kleinen Stück doppelseitigen Klebebands
das ITO-Glas auf den Spincoater, sodass die leitfähige Seite nach
oben blickt.
f) Stülpen Sie den Spritzschutz über und injizieren Sie mit der Spritze
gut 0,2 mL Superyellowlösung mittig zum Drehpunkt der Bohrmaschine
auf das Glas. Starten Sie die Maschine mit voller Drehkraft
und spin-coaten Sie für ca. 20 Sek. Der Klebefilm aus 1) wird nun
entfernt.
3. Anbringen der Hohlräume und der Zuleitung
g) Verkleben Sie drei Streifen doppelseitiges Klebeband (3cm x 2,5cm)
miteinander und stanzen Sie drei Löcher mit Hilfe eines Lochers in
die Schicht (Hinweis: befeuchten Sie die Bolzen mit Aceton). Bringen
Sie das Klebeband auf die Superyellowschicht auf, entfernen Sie nicht
die zweite Schutzfolie.
h) Bringen Sie nun die Kupferfolien als Zuleitung so an, dass die einen
Enden gerade in die Löcher hineinragen, während die anderen Enden
zu kleinen Laschen umgeklappt werden.
i) Überkleben Sie alle drei Löcher mit einem Stück Klebefilm, sodass
drei geschlossene Hohlräume gebildet werden. Drücken Sie den
Klebefilm fest an, ohne dabei die Hohlräume einzudrücken.
4. Einspritzen des Galinstans und Inbetriebnahme
Achtung! Im Folgenden dürfen Sie mit der Kanüle auf keinen Fall die
Superyellowschicht berühren.
j) Stechen Sie mit der Galinstanspritze vorsichtig an den Lochkanten
ein und füllen Sie die drei Hohlräume maximal mit der Legierung aus.
Eventuell austretendes Galinstan können Sie vorsichtig in die Spritze
wieder aufsaugen. Überkleben Sie anschließend die Einstichstellen
mit Klebefilm, drücken Sie nicht zu fest an, da ansonsten Galinstan
austreten könnte.
k) Bringen Sie mithilfe einer Krokodilklemme den Pluspol der Spannungsquelle
an das freiliegende ITO-Glas an. Dunkeln Sie den Raum ab und
halten Sie nacheinander den Minuspol der Batterie an die Kupferzuleitung
ihrer drei Emissionskreise. Beobachten Sie dabei die
Lumineszenz über min. 30s. Es sollte ein deutliches, gelbes Leuchten
zu erkennen sein.
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Aufgaben
1.
Nachfolgend sehen Sie die Struktur des Copolymers Superyellow. Ein Copolymer ist ein Polymer,
welches aus verschiedenen Monomeren besteht, die in bestimmten Zahlenverhältnissen (x:y:z) im
Polymermolekül auftreten.
a) Markieren Sie im Superyellow®-Molekül das konjugierte Grundgerüst (Rückgrat) gelb.
b) Markieren Sie Substituenten, die das mesomere Grundsystem vergrößern, grün.
c) Markieren sie alle anderen Substituenten rot. Welche Funktion erfüllen diese wohl hauptsächlich?
OC 10
H 21
OC 10
H 21
OC 10
H 21
OC 10
H 21
x
OCH 3
y
z
2.
Benennen Sie das Strukturmerkmal, welches den Halbleiterpolymeren die Fähigkeit verleiht,
Elektronen zu leiten.
3.
Die mittlere molare Masse eines SY-Moleküls beträgt etwa 2.000.000 g/mol. Berechnen Sie, wie viele
Repetiereinheiten im Mittel pro Polymermolekül vorkommen unter der Annahme, dass das Monomerverhältnis
x:y:z 1:1:1 beträgt.
Hinweis: Rechnen Sie mit M(C) = 12 g/mol, M(H) = 1 g/mol, M(O) = 16 g/mol.
4.
In der Flash-Animation ist zu sehen, wie sich positive Ladungen durch die Polymermoleküle bewegen.
Betrachten Sie den zugehörigen Ausschnitt aus der Animation und ergänzen Sie durch Pfeile in der
unteren Abbildung, wie das Loch vom linken Ende des Moleküls zum rechten Ende gelangen kann.
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5.
Die untere Abbildung zeigt im oberen Teil im Energiemodell und im unteren Teil im Strukturmodell den
Aufbau der Eigenbau-OLED.
a) Ordnen Sie die Nummern der mit Pfeilen dargestellten Vorgänge den folgenden Begriffen zu:
___ Elektronen-hopping ___ Loch-Injektion ___ Elektronen-Injektion ___Loch-hopping
b) Bei umgekehrter Polung der OLED wäre ITO die Kathode und Galinstan die Anode. Die Lochinjektion
würde dann vom Galinstan aus erfolgen, während die Elektroneninjektion vom ITO aus
erfolgte. Begründen Sie, wieso die OLED bei verkehrter Polung nicht funktionieren kann.
6.
Stellen Sie (auf der Rückseite des Arbeitsblattes) im Energiestufenmodell (analog zum Modell in
Aufgabe 5) den Vorgang der Rekombination dar.
7.
Die untere Abbildung zeigt das Energieschema unserer Eigenbau-OLED mit konkreten Angaben der
Bandkantenenergien. Die Injektionsvorgänge der Ladungen erfolgen aus dem Fermi-Niveau (Leitungsbandkante)
der Elektroden heraus. Berechnen Sie mit Hilfe der nachfolgenden Formel und der
Angaben in der Abbildung die Wellenlänge der Elektrolumineszenzstrahlung der Eigenbau-OLED.
2,4 eV
NuE
l = 1240 eV . nm
E g
5,2 eV
E F
4,8 eV
E g
HbE
4,2 eV
E F
Welche Bandlücke müsste ein blauer Emitter
aufweisen, der mit Licht der Wellenlänge
430 nm leuchtet?
ITO
(Anode)
Superyellow
(Polymerschicht)
Galinstan
(Kathode)
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