Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Umgebungsmedien untersucht. Dabei zeigt sich eine deutliche Verstärkung der Emission, falls die Dipolresonanz des MNT bei kürzeren Wellenlängen im Vergleich zur LED-Emission liegt. Für den Fall, dass die Dipolresonanz mit der Emission überlappt oder bei größeren Wellenlängen liegt, kommt es zu einer Abschwächung. Numerische Berechnungen zeigen, dass dabei die Stärke der Quadrupolmode, welche zusätzliche Absorption hervorruft, sowie eine Rotverschiebung der Dipolresonanz bei Anregung oberhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion eine entscheidende Rolle spielen. Mit Hilfe einer speziellen Maskentechnik, der Fischer-Pattern-Nanolithographie, können Arrays von MNT hergestellt und anschließend die MNT in Form und Größe manipuliert werden. Die zunächst dreieckige Form der Partikel führt zu einer Abschwächung der Emission, welche sich aber durch Umwandlung der MNT in Kugeln zu einer Emissionsverstärkung wendet. Dabei kann Licht, welches sonst im Substrat gefangen wäre, durch plasmonische Streuung ausgekoppelt werden. Eine Untersuchung ähnlicher Strukturen auf einem hochbrechenden, transparenten Substrat (GaP) zeigt, dass die Lage der plasmonischen Resonanzen stärker vom Abstand der Partikel abhängt, als gewöhnlich zu erwarten wäre. / The external quantum efficiency of light-emitting diodes (LEDs) based on AlGaAs/InGaAlP is limited by total internal reflection because of the high refractive index (typically between 3 and 4) of the semiconductor. Metal nanoparticles (MNP) deposited on the surface of the LED can be used as dipole scatterers in order to enhance the emission of the LED. In this thesis, first, single gold nanoparticles of various sizes deposited on such an LED were investigated. A clear enhancement is detected as long as the dipole plasmon resonance of the particle is at a shorter wavelength than the LED emission. If the plasmon resonance coincides with the LED emission or is at a larger wavelength, the enhancement turns into suppression. Numerical simulations indicate that this latter effect is mainly caused by the particle quadrupole resonance producing extra absorption. Arrays of MNPs can be produced by a special mask technique called \"Fischer pattern nanolithography\" and manipulated in shape and size by additional steps. Originally, the MNPs produced by this technique are triangular in shape and turn out to suppress the LED emission. After transformation of the particles to spheres, a clear enhancement was detected. Light that would otherwise remain trapped inside the substrate is coupled out by resonant plasmonic scattering. Investigations on analogous structures on a transparent high-index material (GaP) indicate a stronger coupling between the particles than expected on the basis of literature data.

Den Fokus dieser Arbeit bildet die Untersuchung und die konzeptionelle Verbesserung der wichtigsten Eigenschaften organischer Leuchtdioden (OLED) – die Lebensdauer und die Quantenausbeute, welche sich durch die interne und externe Quanteneffizienz kategorisieren lässt. Es werden monochrome pin- Strukturen betrachtet, welche die Basis für Displays und weiße Multifarben- OLEDs darstellen. Die Auswirkung der Ladungsbalance auf die interne Quanteneffizienz wird untersucht. Dabei finden Triplettemitter Verwendung, da diese aus spinstatistischen Gründen viermal effizienter als fluoreszente Substanzen sind. Für hohe Effizienzen ist die ambipolare Ladungs- und Exzitonenverteilung in der Emissionsschicht mit breiter und zentraler Rekombinationszone anzustreben. Dies wird durch einen energetisch barrierefreien Schichtaufbau über die Auswahl der Matrix-, Blocker- und Transportmaterialien bezüglich geeigneter Transportniveaus und Ladungsträgerbeweglichkeiten erreicht. Bei roten OLEDs wird durch den Austausch des Lochblockers mit geeignetem LUMO die Elektroneninjektion in die löcherleitende Emissionsschicht erhöht und dadurch die Ladungsbalance maximiert. Damit werden externe Quanteneffizienzen von 20% erzielt, was dem Maximum der internen Quanteneffizienz von 100% entspricht. Des Weiteren werden neue Konzepte zur höheren Lichtauskopplung entwickelt. Aufgrund interner Totalreflexionen bleiben 80% der Photonen in Organikund Substratmoden gefangen was die externe Quanteneffizienz begrenzt. Eine deutliche Reduzierung dieser Moden wird bei OLEDs mit stärkeren Mikrokavitäten durch ITO/Silber-Anoden festgestellt. Die energetische und räumliche Umverteilung der Photonen verringert Totalreflexionen womit die Auskopplung bzw. die externe Quanteneffizienz um den Faktor 1,5 erhöht wird. Für rote OLEDs werden dadurch Rekordwerte von 26% externer Quanteneffizienz und einer Leistungseffizienz von 81 lm/W erzielt. Die auftretende winkelabhängige Farbverschiebung kann durch streuende Mikrolinsenfolien reduziert werden. Für verbesserte Auskopplung ohne Farbverschiebung werden Streukonzepte mit rauen Schichten getestet. Kristalline Schichten innerhalb der Organik beeinflussen allerdings den elektrischen Teil der OLED. Dies wird durch extrinsische Verlagerung der Streuschicht ausgeschlossen. Weiterhin wird die intrinsische Degradation von OLEDs mit phosphoreszenten Iridium-Emittern untersucht. Als Hauptursache werden strominduzierte chemische Reaktionen zwischen Emittermolekülen und anderen umgebenden Substanzen identifiziert. Die Akkumulation von Ladungsträgern und Exzitonen fördert diese Reaktionen. Als Zerstörungsmechanismus wird die Dissoziation der Iridium-Emitter mit folgender irreversibler Komplexbildung der Fragmente mit Umgebungsmaterialien wie dem Lochblocker festgestellt. Die OLED-Lebensdauer korreliert dabei doppelt- logarithmisch mit der Anzahl der Komplexe. Die chemische Reaktivität der Umgebungsmaterialien bestimmt die Stärke der Komplexbildung. Mit inerten Substanzen konnte bei roten OLEDs mit 10 Millionen Stunden bei Display-Helligkeit ein Weltrekord erzielt werden. Die geringe Degradation erfordert Extrapolationsmethoden. Es wird ein gestreckt exponentielles Verhalten der Helligkeitsabnahme beobachtet. Eine neue Fehleranalyse der Extrapolation ermöglicht die Angabe von Lebensdauer-Infima bei sehr stabilen OLEDs.

Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Umgebungsmedien untersucht. Dabei zeigt sich eine deutliche Verstärkung der Emission, falls die Dipolresonanz des MNT bei kürzeren Wellenlängen im Vergleich zur LED-Emission liegt. Für den Fall, dass die Dipolresonanz mit der Emission überlappt oder bei größeren Wellenlängen liegt, kommt es zu einer Abschwächung. Numerische Berechnungen zeigen, dass dabei die Stärke der Quadrupolmode, welche zusätzliche Absorption hervorruft, sowie eine Rotverschiebung der Dipolresonanz bei Anregung oberhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion eine entscheidende Rolle spielen. Mit Hilfe einer speziellen Maskentechnik, der Fischer-Pattern-Nanolithographie, können Arrays von MNT hergestellt und anschließend die MNT in Form und Größe manipuliert werden. Die zunächst dreieckige Form der Partikel führt zu einer Abschwächung der Emission, welche sich aber durch Umwandlung der MNT in Kugeln zu einer Emissionsverstärkung wendet. Dabei kann Licht, welches sonst im Substrat gefangen wäre, durch plasmonische Streuung ausgekoppelt werden. Eine Untersuchung ähnlicher Strukturen auf einem hochbrechenden, transparenten Substrat (GaP) zeigt, dass die Lage der plasmonischen Resonanzen stärker vom Abstand der Partikel abhängt, als gewöhnlich zu erwarten wäre.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion / The external quantum efficiency of light-emitting diodes (LEDs) based on AlGaAs/InGaAlP is limited by total internal reflection because of the high refractive index (typically between 3 and 4) of the semiconductor. Metal nanoparticles (MNP) deposited on the surface of the LED can be used as dipole scatterers in order to enhance the emission of the LED. In this thesis, first, single gold nanoparticles of various sizes deposited on such an LED were investigated. A clear enhancement is detected as long as the dipole plasmon resonance of the particle is at a shorter wavelength than the LED emission. If the plasmon resonance coincides with the LED emission or is at a larger wavelength, the enhancement turns into suppression. Numerical simulations indicate that this latter effect is mainly caused by the particle quadrupole resonance producing extra absorption. Arrays of MNPs can be produced by a special mask technique called \"Fischer pattern nanolithography\" and manipulated in shape and size by additional steps. Originally, the MNPs produced by this technique are triangular in shape and turn out to suppress the LED emission. After transformation of the particles to spheres, a clear enhancement was detected. Light that would otherwise remain trapped inside the substrate is coupled out by resonant plasmonic scattering. Investigations on analogous structures on a transparent high-index material (GaP) indicate a stronger coupling between the particles than expected on the basis of literature data.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion

Den Fokus dieser Arbeit bildet die Untersuchung und die konzeptionelle Verbesserung der wichtigsten Eigenschaften organischer Leuchtdioden (OLED) – die Lebensdauer und die Quantenausbeute, welche sich durch die interne und externe Quanteneffizienz kategorisieren lässt. Es werden monochrome pin- Strukturen betrachtet, welche die Basis für Displays und weiße Multifarben- OLEDs darstellen. Die Auswirkung der Ladungsbalance auf die interne Quanteneffizienz wird untersucht. Dabei finden Triplettemitter Verwendung, da diese aus spinstatistischen Gründen viermal effizienter als fluoreszente Substanzen sind. Für hohe Effizienzen ist die ambipolare Ladungs- und Exzitonenverteilung in der Emissionsschicht mit breiter und zentraler Rekombinationszone anzustreben. Dies wird durch einen energetisch barrierefreien Schichtaufbau über die Auswahl der Matrix-, Blocker- und Transportmaterialien bezüglich geeigneter Transportniveaus und Ladungsträgerbeweglichkeiten erreicht. Bei roten OLEDs wird durch den Austausch des Lochblockers mit geeignetem LUMO die Elektroneninjektion in die löcherleitende Emissionsschicht erhöht und dadurch die Ladungsbalance maximiert. Damit werden externe Quanteneffizienzen von 20% erzielt, was dem Maximum der internen Quanteneffizienz von 100% entspricht. Des Weiteren werden neue Konzepte zur höheren Lichtauskopplung entwickelt. Aufgrund interner Totalreflexionen bleiben 80% der Photonen in Organikund Substratmoden gefangen was die externe Quanteneffizienz begrenzt. Eine deutliche Reduzierung dieser Moden wird bei OLEDs mit stärkeren Mikrokavitäten durch ITO/Silber-Anoden festgestellt. Die energetische und räumliche Umverteilung der Photonen verringert Totalreflexionen womit die Auskopplung bzw. die externe Quanteneffizienz um den Faktor 1,5 erhöht wird. Für rote OLEDs werden dadurch Rekordwerte von 26% externer Quanteneffizienz und einer Leistungseffizienz von 81 lm/W erzielt. Die auftretende winkelabhängige Farbverschiebung kann durch streuende Mikrolinsenfolien reduziert werden. Für verbesserte Auskopplung ohne Farbverschiebung werden Streukonzepte mit rauen Schichten getestet. Kristalline Schichten innerhalb der Organik beeinflussen allerdings den elektrischen Teil der OLED. Dies wird durch extrinsische Verlagerung der Streuschicht ausgeschlossen. Weiterhin wird die intrinsische Degradation von OLEDs mit phosphoreszenten Iridium-Emittern untersucht. Als Hauptursache werden strominduzierte chemische Reaktionen zwischen Emittermolekülen und anderen umgebenden Substanzen identifiziert. Die Akkumulation von Ladungsträgern und Exzitonen fördert diese Reaktionen. Als Zerstörungsmechanismus wird die Dissoziation der Iridium-Emitter mit folgender irreversibler Komplexbildung der Fragmente mit Umgebungsmaterialien wie dem Lochblocker festgestellt. Die OLED-Lebensdauer korreliert dabei doppelt- logarithmisch mit der Anzahl der Komplexe. Die chemische Reaktivität der Umgebungsmaterialien bestimmt die Stärke der Komplexbildung. Mit inerten Substanzen konnte bei roten OLEDs mit 10 Millionen Stunden bei Display-Helligkeit ein Weltrekord erzielt werden. Die geringe Degradation erfordert Extrapolationsmethoden. Es wird ein gestreckt exponentielles Verhalten der Helligkeitsabnahme beobachtet. Eine neue Fehleranalyse der Extrapolation ermöglicht die Angabe von Lebensdauer-Infima bei sehr stabilen OLEDs.