Het is bekend dat LED's en transistors niet parallel mogen worden geschakeld, aangezien kleine weerstandsverschillen kunnen leiden tot een onevenwichtige stroomstroom. Dit effect wordt nog sterker als de apparaten opwarmen omdat hun weerstand verandert met de temperatuur. Voor organische LED's (OLED's), dit is een groot probleem:elk OLED-verlichtingspaneel met een groot oppervlak kan worden gezien als een parallelle verbinding van talloze individuele kleine OLED's. Als gevolg hiervan, deze apparaten vertonen een inhomogene lichtemissie als ze opwarmen. Een fenomeen dat de afgelopen jaren zowel door onderzoekers als door industriële bedrijven is waargenomen, is een verzadiging van helderheid die optreedt, ook al wordt de totale aangelegde stroom continu verhoogd.

Nu bewijst een team van onderzoekers van de TU Dresden en het Weierstrass Institute Berlin experimenteel dat OLED's niet alleen verzadigen, ze tonen zelfs gebieden die in helderheid zijn teruggeschakeld:Plots wordt de OLED donkerder in een bepaald gebied, hoewel de totale toegepaste stroom wordt verhoogd - duidelijk een contra-intuïtief resultaat. Dit zogenaamde "teruggeschakelde" effect houdt rechtstreeks verband met de aanwezigheid van een sterke niet-lineaire elektrothermische feedback in OLED's die plaatsvindt bij verwarming en die op zijn beurt een negatieve differentiële weerstand induceert die het apparaat vatbaar maakt voor onstabiele werking.

De resultaten hebben een sterke invloed op het begrip van stabiliteit op lange termijn in toepassingen met een hoge helderheid, b.v. zoals ze voorkomen in de automobielsector. Hier, OLED's worden nu overwogen om LED-technologie voor achterlichten te vervangen, signaal lichten, en remlichten vanwege hun nieuwe ontwerpmogelijkheden. Een probleem waarmee OLED's nog steeds worden geconfronteerd, is het fenomeen van de plotselinge dood. Ze worden zelden beschreven in de literatuur vanwege hun onvoorspelbare en schijnbaar willekeurige voorkomen. Echter, het is waarschijnlijk dat de nu bewezen teruggeschakelde regio's sterk verband houden met dergelijke plotselinge-doodverschijnselen. Een beter begrip van de OLED als een complex elektrothermisch systeem zal, daarom, essentieel zijn om apparaatstoringen te voorspellen en om nieuwe strategieën te ontwikkelen voor een betere helderheidsuniformiteit en apparaatstabiliteit. In de toekomst, nieuwe toepassingen met ultrahoge lichtintensiteit zoals organische lasers zullen ook profiteren van exacte kennis over zelfverhittingseffecten.

De samenwerking tussen de twee groepen dateert van 2011. Sindsdien is verschillende gezamenlijke publicaties over elektrothermische feedback in organische halfgeleiderapparaten zijn gepubliceerd. "De voorspelling van de teruggeschakelde regio's gaat eigenlijk terug tot 2014 toen we enkele eerste hints kregen door een nogal rudimentaire simulatie, " zei Dr. Axel Fischer, de corresponderende auteur van dit werk, en wie gaat er verder, "We hebben ons toen gericht op het creëren van een verbeterde opstelling waarmee we het effect voor onze monsters op laboratoriumschaal zouden kunnen meten."

De term "teruggeschakeld" heeft eigenlijk te maken met de stroomdichtheid die in de OLED lokaal afneemt in tegenstelling tot de totale stroom die nog toeneemt. Omdat het moeilijk is om de lokale stroomdichtheid te meten, een camera werd gebruikt om de emissie te detecteren die overeenkomt met de lokale stroomsterkte. Als er een afnemende helderheid zou zijn voordat de OLED degradeert, het zou een bewijs zijn van teruggeschakelde regio's. Inderdaad, de experimentatoren zagen plotseling een afnemende luminantie in het verwachte gebied van het actieve gebied net nadat de eerste negatieve differentiële weerstand was opgetreden.

Deze experimenten zijn uitgevoerd en geëvalueerd door Anton Kirch, die momenteel een Ph.D. student aan de TU Dresden. "Eerst, een gebied met negatieve differentiële weerstand treedt op en plant zich voort door het apparaat voor het verhogen van de voedingsstroom. Op een bepaald moment, ze schakelen gebieden terug die ver van de elektroden liggen en die geen voldoende hoge vermogensdissipatie hebben. Je kunt je voorstellen dat deze teruggeschakelde regio's alleen de afnemende spanning van de OLED-onderdelen 'zien' die werken in het regime van negatieve differentiële weerstand en niet weten dat de extern aangelegde spanning nog steeds toeneemt."

Om de experimentele resultaten te bevestigen, het complexe samenspel tussen stroom en warmtestroom werd numeriek bestudeerd in een sterk niet-lineair systeem, rekening houdend met de verschillende lagen van de OLED. Daarom, de wiskundigen van het Weierstrass Institute Berlin creëerden een simulatietool voor het oplossen van het afgeleide systeem van partiële differentiaalvergelijkingen. "We moesten een geavanceerd padvolgend algoritme introduceren, " legt Dr. Matthias Liero uit, "om het gedrag van het apparaat vast te leggen binnen het bistabiele regime, dat wil zeggen wanneer delen van de OLED werken in het regime van negatieve differentiële weerstand."

Nadat dit geïmplementeerd was, de numerieke simulatie was in staat om de experimentele bevinding te reproduceren op basis van redelijke aannames en parameters. Liero schetst verder:"Eerlijk gezegd, we hebben ons verbaasd over de kwalitatieve en kwantitatieve overeenkomst tussen simulatie en experiment. De vorm en het voorkomen van het teruggeschakelde gebied werden berekend zoals gevonden in het experiment." De groep is nu op zoek naar verdere partners uit de wetenschap en uit de industrie om de resultaten over te brengen van OLED's op laboratoriumschaal naar grotere dunnefilmverlichtingspanelen en meer gecompliceerde geometrieën.

Beide groepen willen hun gezamenlijke werk rond elektrothermische feedback voortzetten. De volgende uitdagingen zijn het creëren van nieuwe strategieën om teruggeschakelde regio's te voorkomen om de luminantie zelfs bij zelfverhitting te homogeniseren. Het doel is om niet-triviale oplossingen te creëren die expliciet rekening houden met het niet-lineaire karakter van het probleem. Verder, diepgaande onderzoeken naar de onderlinge afhankelijkheid tussen het verschijnen van teruggeschakelde regio's en scenario's voor plotselinge dood zijn gestart.