Det är välkänt att lysdioder och transistorer inte bör kopplas parallellt eftersom små skillnader i motstånd kan leda till obalanserat strömflöde. Denna effekt blir ännu starkare om enheterna värms upp eftersom deras motstånd ändras med temperaturen. För organiska lysdioder (OLED), detta är en stor fråga:Varje OLED-belysningspanel med stor yta kan förstås som en parallellkoppling av många enskilda små OLED:er. Som en konsekvens, dessa enheter visar inhomogen ljusutsläpp om de värms upp. Ett fenomen som har observerats av såväl forskare som industriföretag under de senaste åren, är en mättnad av ljusstyrkan som uppstår även om den totala pålagda strömmen kontinuerligt ökas.

Nu bevisar ett team av forskare från TU Dresden och Weierstrass Institute Berlin experimentellt att OLED:er inte bara mättar, de visar till och med regioner som har återställts i ljusstyrka:Plötsligt blir OLED:n mörkare i ett visst område även om den totala applicerade strömmen ökar - helt klart ett kontraintuitivt resultat. Denna så kallade "switched-back"-effekt är direkt relaterad till närvaron av en stark olinjär elektrotermisk återkoppling i OLED:er som sker vid uppvärmning och som i sin tur inducerar negativt differentiellt motstånd som gör enheten benägen att fungera instabil.

Resultaten har en stark inverkan på att förstå långsiktig stabilitet i applikationer med hög ljusstyrka t.ex. som de finns i bilindustrin. Här, OLED övervägs nu att ersätta LED -teknik för bakljus, signalljus, och bromsljus på grund av deras nya designmöjligheter. Ett problem som OLED fortfarande står inför är plötsliga dödsfenomen. De beskrivs sällan i litteraturen på grund av deras oförutsägbara och till synes slumpmässiga förekomst. Dock, det är troligt att de nu beprövade tillbakakopplade regionerna är starkt relaterade till sådana plötsliga dödsfenomen. En bättre förståelse av OLED som ett komplext elektrotermiskt system kommer, därför, vara avgörande för att förutsäga enhetsnedbrytning och för att utveckla nya strategier för bättre enhetlighet i ljusstyrkan och enhetsstabilitet. I framtiden, nya applikationer med ultrahög ljusintensitet som organiska lasrar kommer också att dra nytta av exakt kunskap om självuppvärmningseffekter.

Samarbetet mellan de två grupperna går tillbaka till 2011. Sedan dess har flera gemensamma publikationer om elektrotermisk återkoppling i organiska halvledarenheter har publicerats. "Förutsägelsen av de återställda regionerna går faktiskt tillbaka till 2014 när vi fick några första tips genom en ganska rudimentär simulering, "sa Dr Axel Fischer som är motsvarande författare till detta verk, och vem fortsätter, "vi fokuserade sedan på att skapa en förbättrad installation som skulle göra det möjligt för oss att mäta effekten för våra prover i labbskala."

Termen "switched-back" är egentligen relaterad till den strömtäthet som lokalt minskar i OLED:n i motsats till den totala strömmen som fortfarande ökar. Eftersom det är svårt att mäta den lokala strömtätheten, en kamera användes för att detektera emissionen som motsvarar det lokala strömflödet. Om det skulle finnas en minskande ljusstyrka innan OLED försämras, det skulle vara ett bevis på återställda regioner. Verkligen, experimentalisterna observerade plötsligt en minskande luminans i det förväntade området av det aktiva området precis efter att det första negativa differentialmotståndet inträffade.

Dessa experiment har utförts och utvärderats av Anton Kirch, som för närvarande är Ph.D. student vid TU Dresden. "Först, ett område med negativt differentialmotstånd uppträder och förökar sig genom anordningen för att öka matningsströmmen. Vid en viss tidpunkt, de byter tillbaka regioner som är avlägsna från elektroderna och som inte har en tillräckligt hög effektförlust. Man kan föreställa sig att dessa tillbakakopplade regioner bara "ser" den minskande spänningen hos OLED-delarna som arbetar i regimen med negativt differentialmotstånd och inte vet att den externt pålagda spänningen fortfarande ökar."

För att bekräfta experimentresultaten, det komplexa samspelet mellan ström och värmeflöde studerades numeriskt i ett mycket olinjärt system, med hänsyn till de olika lagren av OLED. Därför, matematikerna från Weierstrass Institute Berlin skapade ett simuleringsverktyg för att lösa det härledda systemet med partiella differentialekvationer. "Vi var tvungna att introducera en avancerad sökväg efter algoritm, " förklarar Dr Matthias Liero, "för att fånga enhetens beteende inom den bistabila regimen, d.v.s. när delar av OLED fungerar i regimen med negativt differentiellt motstånd."

Efter att detta genomförts, den numeriska simuleringen kunde reproducera det experimentella fyndet baserat på rimliga antaganden och parametrar. Liero beskriver ytterligare:"Uppriktigt sagt, vi har varit förvånade över den kvalitativa och den kvantitativa överensstämmelsen mellan simulering och experiment. Formen och förekomsten av den omkopplade regionen beräknades enligt experimentet. "Gruppen letar nu efter ytterligare partners från vetenskap såväl som från industrin för att överföra resultaten från lab-skala OLED till större tunnfilmsbelysningspaneler och mer komplicerade geometrier.

Båda grupperna vill fortsätta sitt gemensamma arbete med elektrotermisk återkoppling. Nästa utmaning är att skapa nya strategier för att förhindra återkopplade regioner för att homogenisera luminansen även vid självuppvärmning. Det kommer att vara syftet att skapa icke-triviala lösningar som uttryckligen tar hänsyn till problemets icke-linjära natur. Vidare, Fördjupade studier som utforskar det ömsesidiga beroendet mellan uppkomsten av återställda regioner och scenarier med plötslig död har påbörjats.