ИЗМЕРЕНИЕ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ОРГАНИЧЕСКИХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Физические принципы работ органических светоизлучающих диодов 7
1.1. Принцип электролюминесценции 7
1.2. Определение требований к структуре ОСИД 9
1.2.1. Требования к катоду в ОСИД 9
1.2.2. Требования к аноду в ОСИД 10
1.2.3. Требования к электронным и дырочным слоям 11
1.2.4. Требования к электролюминесцентным
материалам 13
1.3. Физические принципы электропроводности ОСИД 16
1.3.1. Механизмы инжекции носителей зарядов 16
1.3.2. Модели транспорта носителей зарядов 19
1.3.3. Рекомбинация носителей зарядов 22
1.4. Методики измерения подвижности носителей заряда
в органических полупроводниковых материалах 25
2. Экспериментальная часть 34
2.1. Технология изготовления исследуемой ячейки 35
2.2. Измерение вольтамперных, вольтяркостных характеристик и спектральной энергетической яркости ОСИД 40
2.3. Измерение подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции 41
2.4. Измерение подвижности носителей заряда
полифлуорена методом переходной электролюминесценции и Photo-CELIV 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 51
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 53
1. Физические принципы работ органических светоизлучающих диодов 7
1.1. Принцип электролюминесценции 7
1.2. Определение требований к структуре ОСИД 9
1.2.1. Требования к катоду в ОСИД 9
1.2.2. Требования к аноду в ОСИД 10
1.2.3. Требования к электронным и дырочным слоям 11
1.2.4. Требования к электролюминесцентным
материалам 13
1.3. Физические принципы электропроводности ОСИД 16
1.3.1. Механизмы инжекции носителей зарядов 16
1.3.2. Модели транспорта носителей зарядов 19
1.3.3. Рекомбинация носителей зарядов 22
1.4. Методики измерения подвижности носителей заряда
в органических полупроводниковых материалах 25
2. Экспериментальная часть 34
2.1. Технология изготовления исследуемой ячейки 35
2.2. Измерение вольтамперных, вольтяркостных характеристик и спектральной энергетической яркости ОСИД 40
2.3. Измерение подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции 41
2.4. Измерение подвижности носителей заряда
полифлуорена методом переходной электролюминесценции и Photo-CELIV 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 51
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 53
В настоящее время на мировом рынке электронных светотехнических устройств и средств отображения информации активно развивается технология создания органических материалов и светодиодов на их основе. Сейчас, экраны на основе органических светоизлучающих диодов (далее ОСИД) встраиваются в телефоны, фотоаппараты, аудиоплееры и др.
Дисплеи из органических материалов обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными неорганическими полупроводниками. Основные достоинства ОСИД заключаются в высокой яркости, контрастности, в широком угле обзора, низком энергопотреблении, возможности размещения на гибких и прозрачных подложках, широком диапазоне рабочих температур. Среди основных недостатков технологии ОСИД сегодняшнего дня стоит отметить более высокую стоимость по сравнению с ЖК дисплеями и неорганическими светодиодами, а также непродолжительный срок службы некоторых материалов, что ограничивает производство долговечных приборов [1].
Стабильно большой интерес вызывают ОСИД двух типов: низкомолекулярные и на основе полимеров с сопряженными двойными связями в основной цепи. Электронные процессы, происходящие в работающих ОСИД, включают инжекцию электронов и дырок из электродов, транспорт в слое и рекомбинацию с образованием экситона, распадающегося с высвечиванием фотона. Низкомолекулярные ОСИД обычно получают методом термовакуумного напыления, а для изготовления полимерных ОСИД применяют простой метод полива из раствора на центрифуге. Гибкие полимерные ОСИД, в отличие от низкомолекулярных, позволяют использовать более экономичные и технологичные методы изготовления, такие как принтерная печать, или roll-to-roll. Использование пластиковых подложек для полимерных ОСИД позволяет реализовать принципиально новые виды изделий: гибкие и рельефные дисплеи, полностью полимерную электронику, средства защиты товаров от фальсификации. Вместе с тем полимерные светоизлучающие материалы имеют существенные недостатки. Так, сопряженные полимеры, в частности полифлуорен, будучи реакционноспособными системами, теряют свои полезные свойства при контакте с парами воды и кислородом особенно в условиях прохождения электрического тока. Кроме того, они фотохимически нестабильны. Эффективность электролюминесценции часто ограничена из-за отсутствия достаточно сбалансированного биполярного электрон-дырочного транспорта. Это особенно относится к однослойным ОСИД, в которых электрон - дырочная рекомбинация происходит вблизи одного из электродов (в большинстве случаев у катода), что приводит к тушению возбужденных состояний на металлической поверхности. Предпринимаются усилия синтезировать новые электролюминесцирующие полимеры с близкими подвижностями электронов и дырок, что имеет решающее значение для работы ОСИД. В рамках этой проблемы первоочередной задачей является поиск полимеров, со сбалансированным электрон-дырочным транспортом, стабильных к внешним воздействиям. С этой точки зрения особый практический интерес представляют некоторые полифлуорены и сополимеры [2].
Одна из проблем, которая препятствует широкому распространению технологии ОСИД в больших полноцветных дисплеях состоит в том, что синие эмиттеры обладают меньшей эффективностью и временем жизни по сравнению с красным и зеленым эмиттерами, что существенно снижает качество изображения. Причем срок службы устройства становится неприемлемым для коммерчески жизнеспособного продукта [3].
В процессе поиска материалов для синих ОСИД, отличающихся доступностью, экономичностью и благоприятностью для окружающей среды, бериллиевые комплексы могут стать потенциальной альтернативой существующим ныне дорогостоящим комплексам на основе иридия, платины или осмия. Поэтому исследование электролюминесценции, оптических и электрических свойств органических полупроводников является актуальным и вызывает большой интерес, как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения возможных практических применений
В связи с этим, целью данной работы являлось экспериментальное исследование спектральных и электролюминесцентных характеристик ОСИД устройств синего диапазона спектра.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
а) сделать обзор научно-технической литературы по методам измерения подвижности носителей заряда;
б) создать ОСИД-структуры для измерения подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции и Photo-CELIV;
в) получить электрофизические характеристики, такие как вольт-амперные, вольт-яркостные характеристики, спектр электролюминесценции, подвижность носителей заряда созданных структур.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы и процессы:
а) термовакуумного напыления;
б) измерение толщины на интерференционном профилометре;
в) измерение подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции;
г) измерение подвижности носителей заряда методом фотоиндуцированного вытягивания носителей заряда линейно возрастающим полем (Photo- CELIV).
Общие понятия: спектр, вольт-амперные характеристики (ВАХ), вольт- яркостные характеристики (ВЯХ), подвижность носителей заряда.
Специальные термины: органические светоизлучающие диоды (ОСИД), organic light emitting diodes (OLED), переходная электролюминесценция (ПЭЛ), Фотоиндуцированный метод вытягивания носителей заряда линейно возрастающим полем (Photo-CELIV).
Предметом исследования являются описания процессов в OLED- устройствах, в частности, характеристики созданных OLED (вольт-амперные, вольт-яркостные характеристики, спектр электролюминесценции, подвижности носителей заряда).
Таким образом, на защиту выносится положение:
Введение дырочно-транспортного слоя NPD, толщиной 50 нм в ОСИД со структурой ITO/PEDOT:PSS/Be(TB-TAZ)/BCP/Ca/Al, позволяет увеличить яркость с 194,31 до 278,72 кд/м2 и эффективность с 0,07 до 0,41 кд/А, то есть в 1,4 и 5,8 раз соответственно.
Научная ценность положения состоит в том, что его содержание следует учитывать при построении моделей процессов, происходящих в ОСИД-устройстве.
Достоверность защищаемого положения обеспечивается:
Вольт-амперные, вольт-яркостные и электролюминесцентные характеристики получены на комплексе состоящем из анализатора спектра «Keithley 237» и волоконного спектрометра «AvaSpec-ULS-2048x64» (общая погрешность не более 1%), для формирования слоев использовалась установка термовакуумного напыления «AUTO 306» производства «BOC EDWARDS». Контроль скорости и толщины напыляемого слоя велся кварцевым детектором «SQM 160» (погрешность не более 0.1%).
Новизна защищаемого положения и соответствующих результатов заключается в создании и исследовании ОСИД, излучающем в синем диапазоне спектра с новым эмиссионным слоем на основе металлоорганических соединений.
Дисплеи из органических материалов обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными неорганическими полупроводниками. Основные достоинства ОСИД заключаются в высокой яркости, контрастности, в широком угле обзора, низком энергопотреблении, возможности размещения на гибких и прозрачных подложках, широком диапазоне рабочих температур. Среди основных недостатков технологии ОСИД сегодняшнего дня стоит отметить более высокую стоимость по сравнению с ЖК дисплеями и неорганическими светодиодами, а также непродолжительный срок службы некоторых материалов, что ограничивает производство долговечных приборов [1].
Стабильно большой интерес вызывают ОСИД двух типов: низкомолекулярные и на основе полимеров с сопряженными двойными связями в основной цепи. Электронные процессы, происходящие в работающих ОСИД, включают инжекцию электронов и дырок из электродов, транспорт в слое и рекомбинацию с образованием экситона, распадающегося с высвечиванием фотона. Низкомолекулярные ОСИД обычно получают методом термовакуумного напыления, а для изготовления полимерных ОСИД применяют простой метод полива из раствора на центрифуге. Гибкие полимерные ОСИД, в отличие от низкомолекулярных, позволяют использовать более экономичные и технологичные методы изготовления, такие как принтерная печать, или roll-to-roll. Использование пластиковых подложек для полимерных ОСИД позволяет реализовать принципиально новые виды изделий: гибкие и рельефные дисплеи, полностью полимерную электронику, средства защиты товаров от фальсификации. Вместе с тем полимерные светоизлучающие материалы имеют существенные недостатки. Так, сопряженные полимеры, в частности полифлуорен, будучи реакционноспособными системами, теряют свои полезные свойства при контакте с парами воды и кислородом особенно в условиях прохождения электрического тока. Кроме того, они фотохимически нестабильны. Эффективность электролюминесценции часто ограничена из-за отсутствия достаточно сбалансированного биполярного электрон-дырочного транспорта. Это особенно относится к однослойным ОСИД, в которых электрон - дырочная рекомбинация происходит вблизи одного из электродов (в большинстве случаев у катода), что приводит к тушению возбужденных состояний на металлической поверхности. Предпринимаются усилия синтезировать новые электролюминесцирующие полимеры с близкими подвижностями электронов и дырок, что имеет решающее значение для работы ОСИД. В рамках этой проблемы первоочередной задачей является поиск полимеров, со сбалансированным электрон-дырочным транспортом, стабильных к внешним воздействиям. С этой точки зрения особый практический интерес представляют некоторые полифлуорены и сополимеры [2].
Одна из проблем, которая препятствует широкому распространению технологии ОСИД в больших полноцветных дисплеях состоит в том, что синие эмиттеры обладают меньшей эффективностью и временем жизни по сравнению с красным и зеленым эмиттерами, что существенно снижает качество изображения. Причем срок службы устройства становится неприемлемым для коммерчески жизнеспособного продукта [3].
В процессе поиска материалов для синих ОСИД, отличающихся доступностью, экономичностью и благоприятностью для окружающей среды, бериллиевые комплексы могут стать потенциальной альтернативой существующим ныне дорогостоящим комплексам на основе иридия, платины или осмия. Поэтому исследование электролюминесценции, оптических и электрических свойств органических полупроводников является актуальным и вызывает большой интерес, как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения возможных практических применений
В связи с этим, целью данной работы являлось экспериментальное исследование спектральных и электролюминесцентных характеристик ОСИД устройств синего диапазона спектра.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
а) сделать обзор научно-технической литературы по методам измерения подвижности носителей заряда;
б) создать ОСИД-структуры для измерения подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции и Photo-CELIV;
в) получить электрофизические характеристики, такие как вольт-амперные, вольт-яркостные характеристики, спектр электролюминесценции, подвижность носителей заряда созданных структур.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы и процессы:
а) термовакуумного напыления;
б) измерение толщины на интерференционном профилометре;
в) измерение подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции;
г) измерение подвижности носителей заряда методом фотоиндуцированного вытягивания носителей заряда линейно возрастающим полем (Photo- CELIV).
Общие понятия: спектр, вольт-амперные характеристики (ВАХ), вольт- яркостные характеристики (ВЯХ), подвижность носителей заряда.
Специальные термины: органические светоизлучающие диоды (ОСИД), organic light emitting diodes (OLED), переходная электролюминесценция (ПЭЛ), Фотоиндуцированный метод вытягивания носителей заряда линейно возрастающим полем (Photo-CELIV).
Предметом исследования являются описания процессов в OLED- устройствах, в частности, характеристики созданных OLED (вольт-амперные, вольт-яркостные характеристики, спектр электролюминесценции, подвижности носителей заряда).
Таким образом, на защиту выносится положение:
Введение дырочно-транспортного слоя NPD, толщиной 50 нм в ОСИД со структурой ITO/PEDOT:PSS/Be(TB-TAZ)/BCP/Ca/Al, позволяет увеличить яркость с 194,31 до 278,72 кд/м2 и эффективность с 0,07 до 0,41 кд/А, то есть в 1,4 и 5,8 раз соответственно.
Научная ценность положения состоит в том, что его содержание следует учитывать при построении моделей процессов, происходящих в ОСИД-устройстве.
Достоверность защищаемого положения обеспечивается:
Вольт-амперные, вольт-яркостные и электролюминесцентные характеристики получены на комплексе состоящем из анализатора спектра «Keithley 237» и волоконного спектрометра «AvaSpec-ULS-2048x64» (общая погрешность не более 1%), для формирования слоев использовалась установка термовакуумного напыления «AUTO 306» производства «BOC EDWARDS». Контроль скорости и толщины напыляемого слоя велся кварцевым детектором «SQM 160» (погрешность не более 0.1%).
Новизна защищаемого положения и соответствующих результатов заключается в создании и исследовании ОСИД, излучающем в синем диапазоне спектра с новым эмиссионным слоем на основе металлоорганических соединений.
В результате работы:
• Проведен литературный обзор по современному состоянию органических светоизлучающих диодов
• Изготовлены образцы для измерения подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции.
• Исследуемый материал обладает хорошими спектральным характеристикам для использования в синих ОСИД, с максимумом в 430 нм.
• Проведено измерение подвижности носителей заряда в изготовленных образцах.
• Проведено измерение подвижности носителей заряда в ОСИД со структурой ITO/PEDOT/PFO/Ca/Al методом Photo-CELIV.
Полученные результаты измерений позволяют выразить предположение о дырочной проводимости исследуемого бериллиевого комплекса. Показано, что метод переходной электролюминесценции в существующих условиях является наиболее простым и достоверным методом для измерения подвижности носителей заряда как полимерных, так и низкомолекулярных соединений.
• Проведен литературный обзор по современному состоянию органических светоизлучающих диодов
• Изготовлены образцы для измерения подвижности носителей заряда методом переходной электролюминесценции.
• Исследуемый материал обладает хорошими спектральным характеристикам для использования в синих ОСИД, с максимумом в 430 нм.
• Проведено измерение подвижности носителей заряда в изготовленных образцах.
• Проведено измерение подвижности носителей заряда в ОСИД со структурой ITO/PEDOT/PFO/Ca/Al методом Photo-CELIV.
Полученные результаты измерений позволяют выразить предположение о дырочной проводимости исследуемого бериллиевого комплекса. Показано, что метод переходной электролюминесценции в существующих условиях является наиболее простым и достоверным методом для измерения подвижности носителей заряда как полимерных, так и низкомолекулярных соединений.
