Organiczne diody świecące ce (OLED) Tydzień temu. OLED technologia na dziś

Transkrypt

1 Elektronika plastikowa i organiczna Organiczne diody świecące ce (OLED) Tydzień temu 1. W tranzystorze polowym przepływ prądu między źródłem i drenem zaleŝy od potencjału przyłoŝonego do bramki 2. Zmiana potencjału bramki powoduje wyindukowanie kanału łączącego źródło i dren, głębokość kanału zaleŝy od potencjału bramki 3. Zakresie liniowym kanał zachowuje się jak opór omowy o zmiennej rezystancji 4. W zakresie nasycenia prąd płynący między źródłem i drenem nie zaleŝy od napięcia między tymi elektrodami 5. Zarówno w zakresie liniowym jak i w zakresie nasycenia prąd źródło-dren zaleŝy liniowo od ruchliwości nośników ładunku 6. Własności tranzystorów wykonanych wyłącznie z materiałów organicznych tylko nieznacznie odbiegają od własności polimerowych FET wykonanych na podłoŝach nieorganicznych 7. Z czynników środowiskowych najistotniejszy wpływ na działanie polimerowych FET ma wilgotność 8. Najistotniejszym czynnikiem jaki ma wpływ na działanie organicznych FET ma uporządkowanie molekuł w warstwie czynnej. OLED technologia na dziś Telewizor SONY XEL-1: rozdzielczość: 11 (1, ) 27 (full HD resolution at ) kontrast 1: (obecnie monitory LCD 1:1000) grubość 5mm cena (porównywarka CENEO) koszty wysyłki

2 Nieorganiczne LED Historia: pierwsze prace lata 20 XXw. (zapomniany Oleg W. Łosew) wersja komercyjna lata 60 XXw (USA Nick Holonyaka jr.) Budowa i zasada działania: przy polaryzacji w kierunku przewodzenia w obszarze złącza p-n następuje rekombinacja elektronów i dziur z jednoczesną emisją światła długość fali emitowanego promieniowania zaleŝy od przerwy energetycznej półprzewodnika Organiczne LED trochę historii Pierwsze LEDy organiczne: C. W. Tang S. A. Van Slyke Appl. Phys. Lett. 51(1987) 913 związek małocząsteczkowy tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum Alq Al 3 O - N 3 J. H. Burriughes et al.. Nature 347 (1990) 539 polimer PPV n elektroda metaliczna półprzewodnik organiczny struktura pierwszych OLED elektroda ITO podkład (szkło) Charakterystyka I(U) pierwszej polimerowej diody LED Nature 347 (1990) 539 Złącze metal - półprzewodnikprzewodnik Φ M > Φ S Φ M = Φ S Φ M < Φ S dziurowy kontakt ohmowy, blokowanie elektronów kontakt neutralny Φ M Φ S praca wyjścia z metalu i półprzewodnika Φ b bariera jaką musi pokonać elektron χ, V L powinowactwo elektronowe, poziom próŝni E V, E C poziomy energetyczne pasma walencyjnego, przewodnictwa E F poziom Fermiego

3 Urządzenia jednowarstwowe (nie licząc c elektrod) poziom próŝni 4,8eV 2,7eV LUMO HOMO 4,3eV 4,8eV 2,7eV LUMO HOMO 4,3eV ITO PPV Al ITO PPV Al diagram poziomów energetycznych diagram poziomów energetycznych Urządzenia jednowarstwowe zasada działania ania Jak z większy kszyć wydajność LED? Procesy zachodzące w OLED: wstrzykiwanie ładunku transport ładunku tworzenie ekscytonów rekombinacja ucieczka ładunków (przepływ prądu między elektrodami bez rekombinacji i emisji promieniowania Wydajność kwantowa: gdzie: η (ext) =γβφχ γ określa stosunek prądu rekombinacji do całkowitego prądu β określa prawdopodobieństwo powstania ekscytonów w stanie singletowym φ określa prawdopodobieństwo anihilacji z wykreowaniem fotonu χ określa prawdopodobieństwo emisji światła na zewnątrz warstwy

4 Transport ładunku a wydajność γ określa stosunek prądu rekombinacji do całkowitego prądu: γ=j R /J Przypomnienie: Modele teoretyczne opisują transport ładunku w układach molekularnych jako przeskoki nośników pomiędzy obszarami (segmenty sprzęŝone), gdzie mogą być one taktowane jako ładunki swobodne Zwiększenie porządku (krystalizacja) powoduje wzrost ruchliwości ładunku Problem: Jak będzie zaleŝał parametr γ od stopnia krystalizacji warstwy organicznej? Odpowiedź: Im większy porządek (a zatem ruchliwość) tym mniejsze γ Problem wstrzykiwania ładunku Campbell et al. Appl. Phys. Lett., 72(1998) 1865 O H 3 C O n MEH-PPV katoda anoda w urządzeniu dominuje prąd dziurowy anoda katoda Diagram energetyczny MEH-PP oraz prace wyjścia róŝnych materiałów katody Charakterystyka I(U) diody z warstwą MEH-PP dla róŝnych materiałów katody Bariera wstrzykiwania ładunku nie powinna być większa niŝ 0,4 ev Jak optymalnie dobrać elektrody? Prace wyjścia Sm Ca LUMO Eneriga [ev] Mg Al, Ag Cu, ITO MEH-PPV -5.0 Au HOMO -5.5 Pt -6.0 Najbardziej korzystny z energetycznego punktu widzenia jest Ca, ale jest on bardzo reaktywny dlatego naleŝy przykryć go dodatkową warstwą np. Al

5 Wpływ elektrod na proces rekombinacji H. Becker Phys. Rev. B 56(1997)1893 Idea: pomiar wydajności fluorescencji w zaleŝności od rodzaju i grubości elektrody, oraz odległości warstwy półprzewodnika od elektrody PPV SiO 2 elektroda Al lub Au kwarc Wydajność fluorescencji w zaleŝności od NatęŜenie fluorescencji dla róŝnych grubości Wpływ warstwy oddziaływań PPV dla róŝnych między grubości molekularnych grubości na widmo warstwy PPV fluorescencji przygotowanej na elektrody: MEH-PPV 35 nm Al (otwarte Macromolecules symbole), 2,32001, nm Al 34, elektrodzie Al o grubości 35nm i Au (pełne symbole) Wpływ elektrod na proces rekombinacji H. Becker Phys. Rev. B 56(1997)1893 Wydajność fotoluminescencji w funkcji grubości warstwy SiO 2 dla cienkich (3nm Al, 2nm Au) oraz grubej (35nm Al) elektrod. Wnioski: obecność elektrody powoduje zmniejszenie wydajności fotoluminescencji (bezradiacyjny przekaz energii do elektrody), oscylacyjny charakter zaleŝności wydajności fotoluminescencji od grubości warstwy SiO 2 spowodowany jest interferencją światła odbitego od elektrody PEDOT:PSS Najprawdopodobniej najczęściej stosowany polimer sprzęŝony Wykorzystywany do pokrywania transparentnych elektrod w organicznych diodach świecących oraz ogniwach słonecznych, tranzystorach FET Wspomaga transport dziur z (LED) i do (fotowoltaiki) elektrody Praca wyjścia (~5eV) zaleŝy od składu mieszaniny oraz preparatyki cienkiej warstwy Redukuje nierówności warstwy ITO elektroda Al mieszanina polimerów PEDOT:PSS szkłoito

6 Urządzenia dwuwarstwowe 2,7eV 2,8eV 4,8eV 3,6eV LUMO HOMO ITO PPV Ca diagram poziomów energetycznych MEH-PPV Urządzenia wielowarstwowe CN-PPV OC 6 H 13 OC 6 H 13 O H 13 C 6 O CN CN H 3 C O n H 13 C 6 O n 2,7eV 2,8eV 4,8eV 3,6eV ITO MEH-PPV CN-PPV Ca diagram poziomów energetycznych Heterozłą łącze jaka jest optymalna geometria? x z y 1.0 składnik A składnik B 1.0 składnik A składnik B 1.0 koncentracja koncentracja koncentracja głębokość z [nm] głębokość z [nm] głębokość z [nm]

7 Masowe heterozłą łącze problem samoorganizacji E.Moons J. Phys.: Condens. Matter 14 (2002) chloroform ksylen ZaleŜność wydajności polimerowej diody świecącej wykonanej z mieszaniny F8:F8BT:TFB od rodzaju uŝytego rozpuszczalnika toluen Powstawanie i rekombinacja ekscytonów Ekscyton to stan związany układu elektron dziura W przypadku układów molekularnych obserwujemy głównie ekscytony Frenkla (silnie związane) Ekcytony mogą występować w stanie singletowym lub trypletowym Zakładając, Ŝe Ŝaden układ spinów nie jest faworyzowany prawdopodobieństwo tworzenie ekscytonu w stanie trypletowym jest 3 razy większe niŝ w przypadku ekscytonu w stanie singletowym Nie ma pewności co do powyŝszego załoŝenia Z reguły przejść optycznych wynika Ŝe: promienista anihilacja ekscytonu następuje jedynie w przypadku stanów singeltowych Z powyŝszego wynika Ŝe współczynnik β nie moŝe być większy od ¼ Jak zwiększy kszyć β? fluorescencja przejście bezpromieniste fosforescencja stan wzbudzony singletowy stan wzbudzony trypletowy stan wzbudzony trypletowy

8 Jak zwiększy kszyć β? P. A. Lane et al. PHYSICAL REVIEW B 63 (2001) PFO PtOEP Kopolimery czyli jak precyzyjnie dobrać kolor P.L. Burn J. Am. Chem. SOC. 115(1993)10117 Absorpcja w kopolimerze typu 12b o róŝnym stosunku ilości segmentów w łańcuchu: 4:1 (linia ciągła),9:1 (linia kropkowana), 19:1 (linia przerywana) Jak uzyskać światło o białe M. Granstrom. O. Inganas Appl. Phys. Lett. 68(1996)147 Półprzewodniki Izolator PTOPT poly[3-(4-octylphenyl)-2,2 -bithiophene] 2-(4-biphenylyl)-5-(4-tertbutylphenyl)- 1,2,3-oxadiazole PMMA PMOT poly(3-methyl-4-octyltiophene) PCHT poly(3-cyclohexylthiophene) Budowa LED

9 Jak uzyskać światło o białe M. Granstrom. O. Inganas Appl. Phys. Lett. 68(1996)147 materiał PTOPT PCHT PMOT Max. elektroluminescencji 620 nm 560 nm 465 nm Widma elektroluminescencji dla róŝnych napięć: 5V ( ), 12V( ), 20V( ) Barwy emitowane przez diodę w zaleŝności od przyłoŝonego napięcia naniesione na trójkąt barw, w powiększeniu połoŝenie barwy białej Wyświetlacze porównanie technologii Wyświetlacze LCD Wyświetlacze OLED Wyświetlacze

10 Polimerowe wyświetlacze wietlacze Henning Sirringhaus, Nir Tessler, Richard H. Friend, Science 280(1998)1741 Lasery polimerowe M. Zavelani-Rossi, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) Laser typu DFB (Distributed FeedBack) Zasada działania fotoluminescencja wzmocniona spontaniczna emisja akcja laserowa Schemat budowy oraz obraz topografii (AFM) lasera DFB wykonanego metodą miękkiej litografii z poly(9,9-dioctylfluorene) Widma emisji lasera DFB wykonanego metodą miękkiej litografii z poly(9,9-dioctylfluorene) Lasery hybrydowe Y. Yang, Appl. Phys. Lett. 92(2008) Kopolimer ADS233YE (American Dye Source Inc.) Widmo absorpcji ADS233YE, oraz widmo emisji diody LED Widma emisji lasera DFB wykonanego na bazie kopolimeru ADS233Y

11 Lasery hybrydowe Y. Yang, Appl. Phys. Lett. 92(2008) ZaleŜność natęŝenia promieniowania od prądu diody LED Widma emisji dla róŝnych prądów diody LED ZaleŜność natęŝenia promieniowania od kąta i długości fali Podsumowanie 1. W diodach LED wykoanaych z półprzewodników nieorganicznych rekombinacja promienista zachodzi w obszarze złącza 2. W jednowarstwowych OLED rekombinacja promienista zachodzi w całej objętości 3. Wydajność OLED zaleŝy od ruchliwości nośników w warstwie organicznej 4. W sąsiedztwie elektrod metalicznych następuje zmniejszenie wydajności fluorescencji 5. Zastosowanie dodatkowej warstwy PEDOT:PSS zwiększa wydajność procesu wstrzykiwania dziur i zmniejsza chropowatość elektrody ITO 6. Zastosowanie kompleksów zawierających metale cięŝkie zwiększa wydajność OLED 7. Zastosowanie kopolimerów pozwala na precyzyjny dobór poziomów energetycznych 8. Technologia organicznych diod świecących wyszła juŝ z etapu laboratoryjnego