ГИБРИДНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ СТРУКТУРА НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОЧАСТИЦ

II
VI
Полезная модель относится к области нанотехнологии гибридных органических полупроводниковых структур с неорганическими нанокристаллами группы AB, используемым для создания электролюминесцентных светоизлучающих устройств (светодиодов), а также дисплеев. Также данное устройство предназначено для изготовления электронной компонентной базы светоизлучающих устройств.
Гибридная светодиодная структура на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц представляет собой многослойную структуру, в которой последовательно нанесенные слои обеспечивают перенос и инжекцию электронов в излучающий слой. Электрофизические свойства гибридной структуры определяются конструкцией слоев, т.е. химическим составом и толщиной, концентрацией нанокристаллов, а также условиями изготовления.
Известна гибридная светодиодная структура на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц [1], которая выбрана в качестве прототипа. Она включает следующие основные слои: стеклянную прозрачную подложку - 1, прозрачный проводящий оксидный слой - 2, слой проводящего сополимера поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната) (PEDOT:PSS) - 3, гибридный светоизлучающий слой, представляющий собой смесь полимерного материала и полупроводниковых наночастиц - 4, электронный-инжекционный LiF - 5, и контакт в виде метала Al - 6. Схема данной гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц, приведена на фиг. 1.
В описанном выше устройстве концентрация наночастиц в два раза больше, чем органического полупроводника, что приводит к образованию дефектов в нем. В данной структуре большое расстояние между высшими занятыми молекулярными орбиталями (ВЗМО) полимеров PEDOT:PSS и PFO, а также валентная зона (ВЗ) наночастиц расположена ниже ВЗМО указанных полимеров, что приводит к затруднению инжекции дырок в гибридный светоизлучающий слой. Все это, вместе взятое, приводит к уменьшению эффективности излучения гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении инжекционной способности дырок и электронов в светоизлучающий гибридный композит, и тем самым в увеличении эффективности излучения гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц.
II
VI
II
VI
Технический результат достигается тем, что в гибридную светодиодную структуру на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц, включающую в себя прозрачную подложку, прозрачный проводящий слой, проводящий сополимер поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната), гибридный композит, проводящий слой, добавлены между проводящим сополимером поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната) и гибридным композитом слои органических полупроводников поли(N,N′бис(4-бутилфенил)-N,N-бис(фенил)-бензидина) и поли(9-винилкарбазола) таким образом, что слой поли(N,N′бис(4-бутилфенил)-N,N′-бис(фенил)-бензидина) прилегает к слою поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната), а слой поли(9-винилкарбазола) прилегает к слою гибридного композита, между гибридным композитом и проводящим слоем введен слой наночастиц оксидов металлов группы AB, при этом гибридный композит представляет собой слой наночастиц группы AB с композитной оболочкой в органическом полупроводнике полифлуорене, кроме того концентрация наночастиц в органическом полупроводнике полифлуорене составляет 5÷95% по массе относительно него.
II
VI
II
VI
На фиг. 2 представлена схема гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц, демонстрирующая суть настоящей полезной модели. Эта структура изготавливается следующим образом: на стеклянную прозрачную подложку - 1, методом магнетронного напыления наносится прозрачный проводящий слой индий-оловянного оксида (ITO) - 2, последующие слои наносятся методом вращающейся подложки (spin coating), а именно: слой проводящего сополимера поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната) (PEDOT:PSS) - 3, органический полупроводник поли(N,N′бис(4-бутилфенил)-N,N′-бис(фенил)-бензидина) (poly-TPD) - 4, органический полупроводник поли(9-винилкарбазола) (PVK) - 5, гибридный композит на основе модифицированного органического полупроводника полифлуорена (mPFO), и наночастиц группы AB с композитной оболочкой - 6, слой наночастиц из оксидов металлов группы AB - 7; проводящий слой из Al - 8, наносящийся методом термического или магнетронного напыления.
II
VI
II
VI
На фиг. 3 и 4 приведены спектры люминесценции гибридных светоизлучающих композитов с различными концентрациями наночастиц группы АВ с композитной оболочкой в органическом полупроводнике полифлуорене двух различных типов. Из представленных спектров видно, что изменяя концентрацию наночастиц группы AB и тип органического полупроводника полифлуорена можно управлять спектром излучения гибридного светоизлучающего слоя, причем можно получать различные оттенки «белого» света.
Для гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц толщины слоев проводящего сополимера поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната), органических полупроводников поли(N,N′бис(4-бутилфенил)-N,N′-бис(фенил)-бензидина) и поли(9-винилкарбазола) составляют 5÷50 нм каждый, толщина гибридного композита составляет 20÷100 нм, и толщина слоя наночастиц оксидов металлов составляет 20÷300 нм.
При толщине слоев поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната), органических полупроводников поли(N,N′бис(4-бутилфенил)-N,N′-бис(фенил)-бензидина) и поли(9-винилкарбазола) менее 5 нм данные слои не будут эффективно препятствовать дрейфу электронов от гибридного светоизлучающего слоя через них к контакту; если данные слои будут иметь толщины более 50 нм, эффективный транспорт дырок через них к гибридному светоизлучающего слою будет нарушен. Поэтому как уменьшение приведенных выше слоев, так и увеличение их толщины, выходящие за приделы 5÷50 нм, приведет к нарушению баланса электронов или дырок в гибридной структуре. Таким образом, все это приведет к падению эффективности излучения гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц.
При толщине гибридного композита менее 20 нм происходит увеличение тока через гибридную светодиодную структуру на основе органических полупроводников и наночастиц, а при увеличении толщины более 100 нм, происходит резкое падение его яркости. Таким образом, если выйти за рамки толщин 20÷100 нм гибридного композита, это приведет к падению эффективности излучения гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц.
При толщине слоя наночастиц оксидов металлов менее 20 нм, через данный слой будет проходить большое количество электронов в гибридный композит; если данные слои будут иметь толщины более 300 нм, количество электронов, приходящих от контакта через него к гибридному светоизлучающего слою, резко упадет. Поэтому если выйти за рамки толщин 20÷300 нм данного слоя, то это приведет к нарушению баланса электронов и дырок в гибридном композите и как следствие приведет к падению эффективности излучения гибридная светодиодная структура на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц.
II
VI
На фиг. 5 приведены вольт-амперные и вольт-яркостные характеристики гибридной светодиодной структуры на основе органических полупроводников и полупроводниковых наночастиц, включающей гибридный композит с концентрацией наночастиц группы AB с композитной оболочкой 40% по массе в органическом полупроводнике полифлуорене, при этом оптимальная толщина слоя проводящего сополимера поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфоната) составляет 30 нм, слоя органического полупроводника поли(N,N′бис(4-бутилфенил)-N,N′-бис(фенил)-бензидина) составляет порядка 30 нм, слоя поли(9-винилкарбазола) составляет 5 нм, слоя гибридного композита составляет 70 нм и слоя наночастиц оксидов металлов составляет 20 нм, для достижения токовой эффективности 0.45 кд/А, и световой эффективности 0.27 лм/Вт, что значительно выше приведенного прототипа [1]. На фиг. 6 и 7 приведен спектр электролюминесценции и координаты цветности CIE (Commission Internationale de l′Eclairage) полученной гибридной светодиодной структуры, видно, что ее спектр излучения попадает в диапазон излучения «белого» света.
На фиг. 8 приведена гибридная светодиодная структура в режиме работы, при этом ее контакты подается напряжение 9 В.
Предложенная гибридная органическая светодиодная структура, содержащая наночастицы, используется как базовый материал для создания светоизлучающих дисплеев и обладает улучшенными фотоэлектрическими свойствами по сравнению с традиционными структурами за счет эффективной инжекции электронов и дырок в гибридный светоизлучающий слой. Таким образом, применение данной полезной модели приводит к повышению характеристик транспорта дырок и электронов, и тем самым к увеличению эффективности излучения.
Список используемых источников
1. К. Kwak, К. Cho, S. Kim. "Voltage-induced electroluminescence characteristics of hybrid light-emitting diodes with CdSe/Cd/ZnS core-shell nanoparticles embedded in a conducting polymer on plastic substrates". Appl. Phys. Lett. 104, 103303, 2014.